某压气机叶片强度、振动特性及颤振分析.pdf
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1、第52 卷第3 期2023年0 9 月文章编号:16 7 2-5549(2 0 2 3)0 3-0 2 16-0 6某压气机叶片强度、振动特性及颤振分析马义良,潘劭平,郭魁俊,梁天赋,关淳(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150 0 46)摘要:基于有限元方法对某轴流压气机叶片进行了数值分析,采用流固耦合方法计算了叶片的气动压力载荷和气流激振力,确保了叶片强度与振动分析结果的精确性。采用能量法研究了叶片在一个振动周期内结构与流场之间的气弹稳定性,分析了叶片在不同运行工况下的颤振风险。本次分析综合评估了叶片的运行安全性,可为后续叶片的安全运行提供重要的依据。关键词:压气机叶片;静强度;动频率;
2、动应力;颤振中图分类号:TK02Analysis on Strength,Vibration Characteristics and FlutterMA Yiliang,PAN Shaoping,GUO Kuijun,LIANG Tianfu,GUAN Chun(Harbin Turbine Co.,Ltd.,Harbin 150046,China)Abstract:Based on finite element method,numerical analysis was carried out on the blades in an axialcompressor.The fluid str
3、ucture coupling method was used to calculate the aerodynamic pressure load and the air flowexciting force of the blades,therefore,the accuracy of the analysis results of the blade strength and vibration could beensured.The energy method was used to analyze the aero-elastic stability between structur
4、e and flow field of theblades in a vibration cycle,and the flutter risk of blades in different operation conditions was assessed.This analysisgives a comprehensive evaluation on the operation safety of the blades,and can provide important reference for thesubsequent operation of blades.Key words:com
5、pressor blades;static strength;dynamic frequency;dynamic stress;flutter随着全球能源结构的调整和转型,未来的能源系统是以可再生能源为主体、多种形式能源共同构成的多元化能源系统,其中风力、光伏发电技术受自然不可控因素影响,存在波动性和间歇性问题。目前,可通过储能技术推动可再生能源的灵活性运行,加速推动能源的低碳技术转型。其中压缩空气储能系统是一种可以实现电能大容量、长时间存储的系统,其关键设备是用于压缩空气的压气机。通常压气机的运行转速高、压比高、轴向推重比大,运行环境较为恶劣,这对压气机动叶片的运行安全性提出了很高的要求。在
6、设计压气机叶片时不仅要分析强度与振动安全性,还要分析叶片的气弹稳定性,即颤振分析。国内外学者从不同角度对压气机叶片进行了安全性评估。张亮等 采用有限元方法对压气机收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 5修订日期:2 0 2 3-0 6-0 1作者简介:马义良(19 8 3 一),男,毕业于哈尔滨工业大学,本科,高级工程师,主要从事汽轮机叶片强度与振动安全性分析。216热力透平THERMALTURBINE文献标志码:Adoi:10.13707/ki.31-1922/th.2023.03.011of Blades in a Compressor叶片进行了静强度和振动应力分析,从疲劳极限角度对叶片动
7、应力进行了考核。赵卫强等 2 采用循环对称法分析了压气机叶片的振动特性,并绘制了坎贝尔图得到了叶片的共振转速和频率。韩乐等 3 分别采用能量法和特征值法分析了压气机叶片在不同模态下的气动阻尼,判断叶片颤振风险。Anding等 4 采用有限元方法对压气机叶片进行了强度与振动分析,并做了动频率测试。这些分析和研究均有利于保障压气机叶片的安全性。本文将对某轴流压气机动叶片进行有限元分析,包括叶片的静强度、动频率、动应力,以及叶片在不同运行工况下的颤振情况,旨在评估压气机动叶片的运行安全性,为机组的安全运行提供理论支撑。Vol.52No.3Sep.2023某压气机叶片强度、振动特性及颤振分析1压气机叶
8、片基本参数本文以某轴流压气机叶片为分析对象。该压气机共有13 级动叶片,设计转速为49 9 0 r/min,入口温度为2 8 4.2 5K,入口压力为0.0 9 7 3 8MPa,出口压力为0.49 11MPa,压比为5.0 43。本次计算对象为第3 级动叶片,叶片为自由叶片,叶根为三齿叶根,动叶片高度为13 3 mm,动叶数为43,对应静叶数为55,其中动叶片和隔叶块材料为2 Cr13(屈服强度为59 0 MPa),对应的转子材料为3 0 Cr2Ni4MoV(屈服强度为7 6 0 MPa)。2叶片强度与振动特性分析热力透平2.1计算模型及边界本次计算采用有限元方法对叶片进行强度与振动特性分析
9、,以及气弹稳定性分析,计算模型采用循环对称建模 ,实体及网格模型如图1所示。压气机叶片工作时,不仅承受自身的离心力和气流激振力,还要承受振动产生的动应力。本次研究的压气机叶片结构为自由叶片。自由叶片常见的主振型有弯曲振动和扭转振动,其振动频率可表示为 5 1pAfo=4NplGT1式中:fo为弯曲振动频率;L为叶高;A为截面面积;p为叶片材料密度;E为叶片材料弹性模量;I。为叶片截面极惯性矩;fo2为扭转振动频率;G为剪切模量;T。为扭转刚度几何因子。从上式可以看到:叶片的高度的平方与频率成反比;叶片截面的刚度越大,频率越高;叶片的质量越大,频率越低。在已知叶片质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵以及
10、激振力后,可以求出叶片的振动位移响应,然后可以求出叶片的振动应力:T1FMMM:QS式中:为叶片动应力;为圆周率;为振动圆频率;8 为衰减率;FM为模态力;MM为模态质量;,为模态应力;S为激振因子;为应力集中系数。从上式中可以看到结构的对数衰减率和气流激振应力是叶片动应力计算的关键参数。(a)实体模型(1)(2)(3)(b)网格模型图1实体及网格模型计算模型取1只动叶片、1个节距的转子,以及1块隔叶块作为循环对称体,这样可以减小计算规模,提高计算效率。其中网格模型主要采用六面体单元,局部非关键过渡区域采用四面体网格,计算模型单元总数约为52 万。有限元计算边界条件及载荷设置如下:1)叶片、隔
11、叶块、转子为循环对称体,如图1所示,设置循环对称约束和循环数量;217第3 期2)叶根与轮槽之间做接触设置,隔叶块与轮槽之间做接触设置,隔叶块与叶根之间做接触设置,接触采用罚函数算法;3)在转子端面一侧设置轴向和周向位移约束,另一侧设置周向位移约束;4)对模型施加工作转速49 9 0 r/min下的离心力载荷;5)通过气动分析得到叶片压力,经流固耦合加载叶片结构表面,将其作为叶片的动载荷激振力,其压力云图如图2 所示。压力/MPa0.1760.1650.1590.1530.1480.1420.1360.1310.1250.1190.1130.1080.102压力/MPa0.1700.1640.
12、1590.1530.1470.1420.1360.1310.1250.1190.1140.1080.1032.2叶片强度分析结果在工作转速的离心力载荷和压力载荷下,经有限元静强度计算,得到第3 级叶片的等效峰值应力,其位于叶根进气背弧侧第1齿位置。等效峰值应力与许用值的比值为0.9 6。叶片叶型等效峰值应力在叶型根部出气背弧侧,等效峰值应力与许用值的比值为0.2 5。叶片的应力云图如图3 所示。轮槽等效峰值应力在轮槽进气侧第1齿,等218某压气机叶片强度、振动特性及颤振分析效峰值应力与许用值的比值为0.49。轮槽的应力云图如图4所示。应力计算值/应力许用值0.960.880.800.720.6
13、40.560.480.400.320.240.160.080.02应力计算值/应力许用值0.490.450.420.390.360.32(a)流体表面0.290.260.230.200.160.130.10从静强度计算结果可以看到,虽然叶根的第1齿峰值应力与静强度许用值较接近,但是叶片和轮槽的静应力均满足强度考核要求。2.3叶片振动分析结果在静应力分析的基础上,采用Lanczos迭代法(b)结构表面分析叶片动频率及振型,经有限元动频率计算,得图2 流固耦合后的压力云图到了叶片在不同转速下的动频率。叶片前3 阶动频率如表1所示。根据表1中不同转速下的动频率值在图5坎贝尔图中可以得到叶片共振转速及
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