有限元应力分析在叶根超声波探伤上的辅助应用

　　叶片根部隐藏在叶轮的轮缘里面,是叶片结构的重要部分,其形状复杂多样。由于工作条件复杂(应力高、应力集中),缝隙中易形成腐蚀环境。加上运行中振动自叶身渗透而下,叶根已成为事故多发的薄弱环节。叶根裂纹的检查较为困难,不同类型的叶根,应采用不同的方法。茂名热电厂3号汽轮机由前苏联制造,1975年1月投入运行,至1999年12月,累计运行188 602h。其低压转子末三级(23,24,25,28,29,30共6级)的叶根形式是骑缝铆孔叉型叶根,形状为三叉、四叉状。叶根插入叶轮轮缘相应的叉中,用铆钉穿过轮缘和叶根的铆孔将它铆紧,铆钉(直径18mm)固定在相邻两叶片之间。

　　1 应力分析

　　为了确定叶根的最危险截面,以便于重点检查,特地对叶根的结构形式进行了有限元应力分析。

　　有限元分析模型的建立包括单元选择、网格划分、单元节点编号、约束处理等。叶根有限元模型的建立可借助于SuperSap91的前处理软件Super-DrawII和译码器Decoder完成。SuperDrawII是一个交互式的CAD图形系统,能较方便地完成结构有限元模型的建立。可利用层、组、颜色、拼接平移、旋转等辅助手段来完成较复杂的网格生成。此外,温度和压力荷载等外部条件的添加,可以通过人机对话的方式来完成。Decoder是一个译码器,它把SuperDrawII形成的图形文件转换成分析计算所需的数据文件。Decoder还有一个功能,就是它以菜单提示形式生成系统计算的主控信息、材料信息、非线性计算中的策略信息等,使得从Decoder处理过的文件,无需作任何修改即可直接进行分析计算。

　　1.1 模型的建立与网格划分

　　对于一般的平面问题, SuperSap91的Super-DrawII具有较强的自动分网能力,然而对于空间问题,其自动分网能力十分有限,尚不能根据几何造型自动分网。为建立叶根的有限元模型,完成网格的划分,先做出一个平面,然后在平面上开半圆形的铆钉孔,再利用copy, join, intersect功能做出叶根的有限元模型。利用前述方法,由Super-DrawII构造的叶根模型如图1所示。

　　1.2 有限元计算模型

　　由SuperDrawII构造所得到的模型,尚需用译码器Decoder将模型的几何拓扑信息、荷载信息和约束信息等转化为有限元分析模块可读的ASCII码数据文件。Decoder还添加其他附加信息,如材料和特性参数,问题类型,工况等。最终生成一个可用于有限元程序计算分析的数据文件和一个后处理模块(Superview)显示分析的文件。

　　1.3 有限元计算结果及分析

　　利用前面建立的有限元模型,对叶根的受力情况进行有限元分析,计算结果如下:叶根的应力分布如图2所示。由图中可见,铆钉孔的根部出现了应力集中现象。因此应重点检查叶根的铆钉孔的根部。