大型空压机叶轮强迫振动分析与裂纹扩展计算.pdf
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1、Chinese Journal of TurbomachineryForced Vibration Analysis and Crack Propagation Calculationof Large Air Compressors ImpellerXue-bo ShaoShu-hua YangJi-gang MengChi ZhangJin Zhang(Shenyang Blower Works Group Corporation)Abstract:Structural dynamic analysis is carried out for the crack failure problem
2、 of a large air compressor s impeller.Thepartly dynamic characteristics of the impeller is discussed based on the stress results in the key areas.It s determined that one ofthe key factors of crack initiation is the dynamic characteristics of impeller.Forced vibration analysis and crack propagationc
3、alculation for the impeller is carried out.The analysis results show that the cracks initiation and propagation are in line withreality.After the impeller structural optimization work,the stress level and frequency of the optimized impeller have been greatlyimproved.The life of the impeller has also
4、 been improved.Keywords:Impeller;Fatigue Crack;Failure;Vibration Stress;Optimization摘要:针对某大型空压机叶轮的裂纹失效问题开展了结构动静力学分析,根据关键区域的应力结果对叶轮局部的动力特性进行探讨,确定叶轮结构本身的力学特性是裂纹萌生的关键因素之一。采用有限元法针对叶轮开展强迫振动分析以及裂纹扩展理论计算,分析结果表明:裂纹的萌生与扩展现象基本符合实际产品的情况。对叶轮开展结构改进工作,改进后的叶轮力学性能得到了极大提升,从而提高了叶轮的使用寿命。关键词:叶轮;疲劳裂纹;失效;动应力;结构优化中图分类号:TH
5、452文章编号:1006-8155-(2023)03-0072-05文献标志码:ADOI:10.16492/j.fjjs.2023.03.0012邵学博杨树华孟继纲张弛张锦(沈阳鼓风机集团股份有限公司)大型空压机叶轮强迫振动分析与裂纹扩展计算0引言叶轮是透平机械的核心部件之一,其服役周期内的安全和平稳运行决定了整个旋转设备的实际寿命。当叶轮发生运行故障或发现结构缺陷时,需要引入失效学进行分析排查,最终明确失效因素,定向完善叶轮结构,使其满足更加平稳、安全的长周期运行要求。失效学科是一门发展中的学科,其从分析方法上讲可以划分为很多类,比如宏观分析、断口分析、射线分析、裂纹以及失效分析等1,国内外
6、的学者在材料微观学、宏观裂纹扩展等诸多领域已有了丰厚的研究成果2-5,随着有限元技术的发展以及多学科的合作研究,越来越多的叶轮失效问题都能够通过仿真进行溯源和复现,尤其是高校力学专业从动静力学相结合的角度6-12,解释了叶轮低高周疲劳问题,能够初步解决一定的工程实际问题,并为进一步的优化设计提供指引。本文从结构动力学以及断裂力学7的角度出发,以某大型空压机叶轮的断裂问题为案例,采用有限元结合的方法判断裂纹萌生机理,计算裂纹萌生后的叶轮寿命,并以此为基础完成叶轮的结构改进,满足叶轮长周期运行的要求。大型空压机叶轮强迫振动分析与裂纹扩展计算 72Chinese Journal of Turboma
7、chinery第65卷,2023年第3期Http:/turbo- Vol.65,2023,No.31基础理论本文所涉及的主要理论包括:叶轮的结构计算动力学以及断裂力学理论。对于结构计算动力学的一般方程为:Mx()t+Cx()t+Kx()t=F()t(1)其中,x()t和x()t分别为结构系统的加速度向量和速度向量;M,C,K和F()t分别为结构系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵以及载荷向量。采用模态叠加法开展动力学方程的求解,进行模态分析求解广义特征值,即:K-2M=0(2)其中代表固有频率;代表固有振型,且一一对应,每个固有频率和振型满足如下关系:TiMi=0()i=1,2,n(3)因质量矩
8、阵是正交的,且如果阻尼矩阵是振型阻尼,则有:TiMi=1()i=j0()ij(4)TiCi=2ii()i=j0()ij(5)其中,i是第i阶振型阻尼比。将x()t看成是i()i=1,2,n的线性组合,引入变换:x()t=y()t=i=0niyi(6)将(4)、(5)代入式(1),可以得到:yi()t+2iiy()t+2iy()t=rt()t(7)采用杜哈梅积分方式对解耦的多个单自由度振动方程进行求解,得到如下结果yi()t=1i0trt()e-i i()t-sin i()t-d+e-i it()aisin it+bicos it(8)其中,i=i1-2i;ai,bi是由初始条件决定的常数。由式
9、(8)代入式(6)进行叠加即可得到系统的响应。对于一般部件的线弹性断裂判断依据为最大应力强度因子是否大于材料的断裂韧性KC,公式为:Kmax=fmaxacKC(9)其中,aC为临界裂纹尺寸;f为修正系数;max为最大循环应力。同时疲劳裂纹的扩展公式为:dadN=()K,R(10)根据Paris公式的积分推导13最终可以得到裂纹疲劳扩展寿命的估算基本方程:Nc=1C()f m()0.5m-11a0.5m-10-1a0.5m-1c(11)其中,m和C为常数,本式中m2。2案例分析某大型空气压缩机服役期10年,第一次检修期期间进行过拆机检查,未发现叶轮有裂纹情况。在第二次例行检修期拆机中发现该叶轮出
10、现了局部裂纹情况,分别出现在叶轮的叶片进口以及出口的轮盘位置,叶片上裂纹明显开裂较为严重,如图1和图2所示。针对机组转子的振动检测曲线进行了检查,发现从停机1年前开始,机组的振幅就有异常波动,但未达到报警值,同时针对机组的运行情况进行了了解,确定了该压缩机的实际运行过程存在规律性的启停情况,该工况为启停4次/年。并且在机组运行5年后,出现若干次80%转速下运转的情况。叶轮为三元闭式叶轮,直径1200mm,叶轮的叶片数NB为 19,导流装置的叶片数Nigv为 12,叶轮工作转速为4500r/min,材质为高强度不锈钢,弹性模量为200GPa,泊松比为0.3,密度为7850kg/m3,屈服极限为1
11、000MPa,抗拉极限1125MPa。在ANSYS软件中采用10节点四面体单元SOLID187进行网格剖分,得到的有限元模型(1/19模型)包含:39091个单元数以及65577个节点。有限元模型如图3所示。图1叶轮出口轮盘处的裂纹情况Fig.1The crack at outlet of impeller hub图2叶轮进口叶片处的裂纹情况Fig.2The crack at inlet of impeller blade图3叶轮分析用有限元模型Fig.3Finite element model of impeller 73Chinese Journal of Turbomachinery针对
12、叶轮开展线弹性分析,可以得到工作转速下的叶轮应力如图4所示(注:考虑材料非线性时,最大应力处的应变未超出要求,厂内的超速实验变形测试通过,验证了这一点),考察叶轮两处裂纹的应力情况,发现叶轮的高应力区主要为叶轮的叶片进口,图2所示裂纹处为叶片高应力区之一,等效应力约为1053MPa,而叶轮出口处图1所示裂纹处的轮盘等效应力约为976MPa。筛查叶轮发生高周疲劳的可能性,针对叶轮开展结构动力学分析,查看其固有频率特性是否与激励频率发生干涉的问题。首先根据周期对称结构的节径频率相关理论,叶片数NB为19的叶轮节径数ND为9。动静干涉的激振力的节径数NDV计算:NDV=|nNB-kNigv(12)其
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