【正文】 ............................................................................... 21 4 總結(jié) ........................................................................................................................... 22 參考文獻 ........................................................................................................................ 23 致 謝 ........................................................................................................................... 25 燃氣輪機渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 1 1 概論 研究的背景及意義 燃氣輪機是一種重要的動力裝置，從 20 世紀(jì) 50 年代開始在電力工業(yè)應(yīng)用，由于當(dāng)時的材料、機械加工、精密鑄造等條件的限制，致使當(dāng)時的機組單機容量小，熱效率比較低，在電力系統(tǒng)中只能作為緊急備用電源和調(diào)峰機組等輔助動力設(shè)備使用。并且效率高、噪音低、排放低的先進的燃氣輪機是提供清 潔可靠、高質(zhì)量發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式，也是目前標(biāo)志一個國家工業(yè)基礎(chǔ)先進程度的關(guān)鍵技術(shù)和動力設(shè)備的核心 [1]。并在 20 世紀(jì) 90 年代，各國紛紛啟動了推進燃氣輪機技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的國家項目，比如美國的 “先進透平動力系統(tǒng) ”計劃 (ATS)、歐洲的 “先進燃氣輪機合作 ”(CAGT)和 EC— ATS 計劃以及日本的 “新日光 ”計劃等[2]，大大促進了燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展和電力工業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前先進燃氣輪機性能如表 所示。直到改革開放后，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和電力的需求，燃氣輪機才逐漸走上子決速發(fā)展的軌道。捆綁招標(biāo)、以市場換取技 術(shù)推動了一批著名的高校與科研機構(gòu)開展大型燃氣輪機發(fā)電裝備自主開發(fā)研究和提高了制造能力，使我國船用、航空用燃氣輪機取得豐碩成果。由于設(shè)計一和運營的經(jīng)驗不足，使得現(xiàn)在使用的大型機組在運行中經(jīng)常出現(xiàn)問 題，使機組的安全性和可靠性大大降低。 燃氣輪機的工作原理是 [4]：通過軸流式壓氣機各級葉片把空氣壓縮到高壓狀態(tài)，與噴入的燃料在燃燒 室混合燃燒形成高溫高壓燃氣，然后推動燃氣透平旋轉(zhuǎn) 燃氣輪機渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 3 而做功，這樣就把燃料的部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為了機械能，其中大部分用來推動壓氣機壓縮空氣上，剩余的部分通過輸出軸對外做功。作為燃氣輪機的關(guān)鍵部件之一，渦輪葉片工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，在高溫、高壓條件下做高速旋轉(zhuǎn)運動，承受著循環(huán)變化的交變載荷。其次渦輪葉片的在高溫高壓的環(huán)境里工作，由于受熱不均，在葉片表面產(chǎn)生的熱應(yīng)力，對葉片的強度和疲勞壽命的影響不容忽視，而且在如此的高溫下，葉片的幾何形狀、尺寸、材料性能等都有很大的變化，還容易產(chǎn)生高溫蠕變損傷。 綜上所述，即使機組 處于穩(wěn)定運行工況，渦輪葉片也會承受著周期性的慣離心性力、氣動載荷激振力、溫度應(yīng)力等循環(huán)交變載荷作用。據(jù)統(tǒng)計，在燃氣輪機零部件的失效事件中，渦輪葉片占 40%以上，其中大部分是由于葉片的振動疲勞斷裂所致，造成了巨大的直接和間接經(jīng)濟損失 [5]。在我國因葉片事故造成的經(jīng)濟損失達數(shù)十億。由上面的內(nèi)容分析可以看到，渦輪葉片的載荷十分復(fù)雜，引起葉片振動的因素很多，但其中最能激發(fā)葉片振動的載荷為葉片所受的氣動載荷激振力。求解葉片振動特性一般都采用動力學(xué)分析法，針對渦輪葉片常遇到的振動問題，振動模態(tài)分析是一種有效的研究方法，主要用于確定葉片的固有頻率和 振型，這是受動載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)。 渦輪葉片氣動載荷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 即使燃氣輪機發(fā)電機組處于穩(wěn)定運行工況，渦輪葉片也會受到周期性激振力的作用，產(chǎn)生振動響應(yīng)。不少學(xué)者從不同角度 對葉片的氣動載荷在理論和實驗方面進行了研究。因為氣動力對葉輪機械的單自由度的振動一般起阻尼作用。在軸流式和離心式渦輪中，尾流是一種常見的強迫振動激振源，它是由于葉片尾緣及附面層的影響，引起葉柵出口氣流速度的虧損而形成的，會給下一級轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生周期性激振，是葉片動應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因。過去這種研究大多依賴于實驗數(shù)據(jù)，后來隨著計算機和計算機技術(shù)的發(fā)展，才一可以通過數(shù)值模擬進行計算。文獻 [6]分析中就是將葉片和輪盤作為孤立部件，對葉片進行氣動載荷的分析。早在上世紀(jì) 70 年代，姚福生主要研究了汽輪機中由于部分進氣和導(dǎo)向葉片出口邊厚度所造成的間斷性氣流作用在動葉上的周期激振力問題，把汽輪機氣動載荷假設(shè)成矩形波，推導(dǎo)了一般汽輪機動葉片氣動載荷的計算表達式。 早期的計算取得了很大的成就，但是畢竟相對簡單，考慮的因素較少，而實際的尾流流體激振問題相當(dāng)復(fù)雜，涉及到諸多學(xué)科的分支。傳統(tǒng)的分析方法無法揭示其本質(zhì)，直到最近隨著計算機和計算技術(shù)飛速發(fā)展，多場禍合理論和多場藕合軟件逐漸成熟才得以深入的研究。 [9]采用一維的歐拉方程和一維的結(jié)構(gòu)動力學(xué)平衡微分方程，對活塞與氣體的禍合問題進行了強禍合分析，計算中假設(shè)流體為理想氣體，結(jié)構(gòu)采用單自由度的模型。 等提出了尾流激振的簡化物理模型和對應(yīng)的流固藕合界面的動力方程，進一步分析了在尾流作用下，影響葉片系統(tǒng)高周疲勞壽命的重要參數(shù)。 楊建剛等 [11]采用了將轉(zhuǎn)子位移分解為靜位移與動位移的方法。柴山、張耀明等 [12]從流體力學(xué)出發(fā)，應(yīng)用動量定理對由于間隙引起的氣流間隙激振力進行了多方面的研究，并推導(dǎo)出普遍適用的計算公式。 孟越等 [14]提出了葉片強迫響應(yīng)瞬態(tài)分析方法，將流場分析得到的葉片表面氣動力數(shù)據(jù)作為邊界 條件施加到瞬態(tài)分析有限元模型上，用 APDL 語言編程實現(xiàn)有限元節(jié)點上的分析。 謝永慧，藍吉兵，張荻等 [16]深入研究了非定常流動對透平氣動性能的影響和導(dǎo)致產(chǎn)生動時一片振動疲勞的氣流激振力。 燃氣輪機渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 6 渦輪葉片動力學(xué)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 燃氣輪機渦輪轉(zhuǎn)子葉片是燃氣輪機的主要零 部件之一，它在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、惡劣且相當(dāng)復(fù)雜的環(huán)境下工作，不僅被經(jīng)常變化著的高溫燃氣所包圍，而且還承受著高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力、氣動力和振動負荷等復(fù)雜的載荷作用。 渦輪葉片是一種彈性結(jié)構(gòu)，在工作過程中，葉片不僅受到離心力載荷，還不斷地受到氣流激振力的交變載荷，使葉片產(chǎn)生振動，特別是當(dāng)激振頻率等于葉片自振頻率時而產(chǎn)生共振。有關(guān)統(tǒng)計資料指出，振動疲勞是造成渦輪葉片破壞的重要原因。但由于葉片高周疲勞失效的性質(zhì)嚴(yán)重、機理復(fù)雜、改進難度大、處理周期長。隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展的實踐證明，傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計方法已經(jīng)遠遠滿足不了現(xiàn)代工程技術(shù)發(fā)展的需求：既要滿足靜力學(xué)強度要求，還要給定結(jié)構(gòu)的某些固有頻率禁區(qū)， 或某些點上的響應(yīng)的要求，或者兩者兼而有之。 文獻 [17]在葉片結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)顫振的研究中考慮了葉片間模態(tài)性質(zhì)差異的影響。文獻 [19]采用各種梁模型考慮原有扭轉(zhuǎn)角和變截面、彈性支撐、彎扭禍合等影響，分析了葉片的自由振動特性，方法比較簡單，便于討論參數(shù)的影響。文獻 [22]對渦輪葉片應(yīng)力進行了全面的有限元分析，包括彈塑性穩(wěn)態(tài)應(yīng)力、振動應(yīng)力，考慮了穩(wěn)態(tài)應(yīng)力對振動應(yīng)力的影響。 本文的主要內(nèi)容 本文分析了燃氣輪機渦輪葉片動葉受到的氣動載荷激振力， 并 推導(dǎo)了燃氣輪機渦輪葉片氣動載荷激振力的表達式，采用 MATLAB 仿真技術(shù)對氣動激振力進行了分析得到的載荷譜，及對周向力進行了諧波分析，得到了其頻譜圖和各階諧波分量。葉片工作時不僅被經(jīng)常變化著的高溫燃氣所包圍，并且還承受著高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力、氣體力和振動負荷等，所以渦輪葉片經(jīng)常會因為強度不夠而導(dǎo)致?lián)p壞，而葉片的損壞又極其危險，會影響同級的其它葉片，甚至可能導(dǎo)致整個級的葉片損壞，致使發(fā)電機組停機。所以渦輪葉片最易產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨著載荷的持續(xù)作用裂紋逐漸擴大，直到剩余的承力面積不足以承受離心力造成的應(yīng)力時，最終導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。 離心載荷 渦輪轉(zhuǎn)子葉片高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力是燃氣輪機穩(wěn)態(tài)工作時渦輪葉片的最重要的載荷。理論上所有齒面上的壓力和在徑向的分量等于葉片的離心力，根據(jù)文獻，整體葉片樺頭的 離心載荷為： 2c ?mRF ? (2—1) 其中， m 是渦輪葉片的質(zhì)量； R 是渦輪葉片質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸線的徑向距離； ? 是渦輪葉片的角速度。 計算的離心力載荷為： 燃氣輪機渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 9 Fc= 該葉片樺頭與渦輪盤的連接屬于縱樹型樺頭連接，共有三對齒接觸，渦輪盤上每對齒的接觸表面積分別為： 上： S1= 中： S2= 下： S3= 則渦輪葉片樺頭齒面受壓總面積為： S=S1+S2+S3= 溫度載荷 渦輪葉片工作環(huán)境十分惡劣，外部是高溫、高壓的燃氣，內(nèi)部是低溫冷卻氣體，環(huán)境溫度梯度很大，出于受熱不均勻，葉片的各部分將發(fā)生不同程度的膨脹，在受到約束時，膨脹不能自由發(fā)生，于是就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。但是這種溫度分布、應(yīng)力分布情況極其復(fù)雜，求解相當(dāng)困難。由于溫度分布不 是本文的重點研究對象，所以在這里不做詳細敘述。溫度沿葉片徑向的變化規(guī)律如圖 所示。由圖可以看出，在半徑 r=80mm 附近，溫度由 1300K，溫度梯度最大。 燃氣輪機渦輪葉片受力特性計算及分析 第 頁 共 30 頁 10 圖 渦輪葉片實測溫度分布 圖 渦輪葉片溫度隨葉高的變 化 由給出的溫度分布，在 ANSYSWorkbench 中直接