离心式叶轮流体激振响应及动态疲劳的研究

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　　1　引　言

　　透平机械是常用的大型动力机械,广泛应用于能源、交通、化工、冶金等领域,其安全运行具有重要意义。叶轮作为透平机械中的主要部件,其可靠性尤其重要。在工程实践中,疲劳破坏是透平机械零部件失效的主要原因之一,造成了重大的经济损失。例如,谏壁电厂捷制vk250机组的第十三、十四级的叶片损坏,以及广泛应用于国产汽轮机组的333mm、432mm叶片损坏[1],某离心压缩机首级叶轮叶片发生疲劳断裂[2],以及某高速离心液氢泵诱导轮叶片发生疲劳破坏[3]等,工程中还有很多叶轮发生疲劳破坏的实例。这些高速旋转的机械运行状况复杂,工作条件恶劣,不但承受离心力的作用,还要承受流体激振、热应力和启动停机等多种载荷的影响,使材料受到不可逆转的疲劳损伤,损伤累积到临界程度,结构便遭到破坏。

　　离心式叶轮在交变载荷或重复应力作用下发生疲劳破坏,交变载荷是因,结构受到交变载荷激励的过程中产生重复应力受到损伤,结果往往导致结构破坏[325]。因此,要深入全面地揭示叶轮的疲劳破坏问题就必须把载荷、结构响应、疲劳损伤结合起来研究。

　　本文提出离心式叶轮在流体激振下的疲劳破坏是由于载荷激起了结构的共振,是动态疲劳。动态疲劳是结构所受动态载荷的一些频率成分激起了结构某些固有模态的共振,特点是激励频率高,幅值低,能量小,激起结构多个固有模态的共振,主要是局部模态,而且能量集中于参与共振的局部模态振型较大的部位。文献[223]中的结构疲劳破坏都是典型的动态疲劳。

　　为了探讨叶轮动态疲劳的机理,本文采用循环对称算法,不仅研究叶轮的动力特性,还分析了流体激振力对叶轮的影响,并根据动态疲劳理论估算叶轮疲劳寿命,最后以一个实际工程中的叶轮[2]为算例,进行了叶轮的模态分析和离心力作用下的应力分析,将叶片表面非定常流场计算所得静压分布作为载荷,研究了叶轮在流体激振力作用下叶片疲劳断裂的机理并估算了其疲劳寿命。

　　2　结构动力分析的循环对称理论

　　有限元是当前结构分析的重要工具,具有广泛的适用性。有限元分析的规模精度耗费受到计算机性能和软硬件资源的制约,采用先进的数值计算方法提高计算效率节省计算资源有重要的意义,因此,循环对称算法在循环对称结构有限元分析中有着重要的应用价值。叶轮是透平机械中的主要部件,离心式叶轮通常由N组叶片及轮盘、轮盖组成,绕轴每旋转一个角度α(α=2π/N),结构(包括材料常数)与旋转前完全相同,是典型的CN群循环对称结构,可应用循环对称理论加以研究[4]。