汽轮机叶片动响应计算及高周疲劳寿命评估方法

    0 引言

    随着节能减排的理念对电力行业的影响不断深化，为了降低工业过程对自然环境的负面影响，一方面，低排放(无排放）的能源生产方式，如风电、核电、潮彳夕能、太阳能等，正在全球的新兴电力市场中占据越来越重要的地位；另一方面，高参数大容量的火电机组因其相对较低的能耗而不断受到更多的重视。可以预见，在解决了核电的安全性问题之后，核电装机的绝对数量将有较大提升，同期，高参数大容量火电机组仍将在电力领域占有重要的市场优势。

    无论对于核电大容量半转速汽轮机还是全速汽轮机，所有的机组都存在蒸汽流量加大的问题，因而相应的低压末级动叶的高度都必须加长，这对长叶片的开发而言形成了一定的挑战。众所周知，叶片决定了汽轮机通流的能力和效率，同时也是蒸汽载荷的直接承受者。叶片的安全可靠性直接影响机组的运行安全。目前已知的叶片断裂事故大多数是由于叶片振动所致，主要原因是叶片工作时受到汽流激振力作用，产生受迫振动，由此产生相当大的动应力，使叶片疲劳损坏。但在实际设计叶片时，要确切地获得叶片运行时动应力的数值还有一定的困难。很多学者对叶片动应力的计算做出了研究，谢永慧，王乐天等提出了一种三维实体混合单兀模型来分析汽轮机叶片静态和动态应力。文中对实际叶片进行了计算，得出分析模型可以精确地计算叶片的静态和动态应力状况，为工程中实际叶片的固有频率和静动应力分析提供了强有力的工具；朱宝田，吴厚钰研究了汽轮机的动应力特性及频率、激振力、阻尼等因素对动应力特性的影响，建立了模态迭加法求解叶片强迫振动的方程，建立了定量计算叶片振动响应和动应力的模型和计算方法，并对真实叶片进行了计算，得到了与实际吻合的结果;秦飞，张晓峰等提出了整圈叶片动应力简化计算模型，并利用此简化模型和瞬态有限元方法计算了空冷汽轮机末级动叶片的动力学响应。

    本文使用基于模态稳态动力响应方法，运用商用有限元分析软件ABAQUS来计算某叶片在汽流激振力作用下的稳态动应力，同时，还对最大动应力点进行了HCF评估。

    1 基于有限元动应力计算方法

    有限元分析结构动力响应主要有两种类型:振型叠加法和直接解法。振型叠加法的基础是结构的各阶特征模态，因此在建模时要首先定义一个频率提取分析步，从而得到结构的振型和固有频率，然后才能定义振型叠加法的各种分析步。振型叠加法包括4种分析类型：（1)瞬时模态动态分析:计算线性问题在时域上的动态响应；（2)基于模态的稳态动力分析:在用户指定频率内的谐波激励下，计算引起结构响应的振幅和相位，得到的结果是在频域上的；（3)反应谱分析：当结构的固定点处发生动态运动时，计算其峰值响应(位移、应力等），得到的结果是在频域上的；（4)随机响应分析：当结构随机连续的激励时，计算其动力响应，得到的结果是在频域上的，激励的表示方法是统计意义上的能量谱函数。直接解法主要用于求解非线性动态问题，其包括5种分析类型：（1)隐式动力分析:通过隐式直接积分分析强非线性问题的瞬态动力响应；（2)基于子空间的显示动力分析:通过显示直接积分求解非线性动力问题；（3)显示动力分析:通过显示直接积分求解非线性动力问题；（4)基于直接解法的稳态动力分析:直接分析结构的稳态简谐响应；（5)基于子空间的稳态动力分析:分析结构的稳态简谐响应。