劉勃

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片強(qiáng)度分析

劉勃

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

利用數(shù)值模擬計(jì)算軟件將已設(shè)計(jì)成型的燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)動(dòng)葉片進(jìn)行受力分析，將葉片所承受的氣動(dòng)力，離心力和葉片根部的固定力全部耦合在葉片上。然后用ANSYS軟件建立有限元模型，模擬出葉片的變形程度和所受應(yīng)力，最后通過(guò)第四強(qiáng)度理論校核葉片的強(qiáng)度是否滿足要求。

壓氣機(jī)；葉片；強(qiáng)度校核

0 引言

F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)工作條件的要求相當(dāng)苛刻。就壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)，它的葉片要承受很大的離心力、氣動(dòng)力及熱應(yīng)力，軸向還要承受比較大的機(jī)械載荷等。在這種高負(fù)荷的情況下，葉片必須具有較高的強(qiáng)度，否則就難以保證燃?xì)廨啓C(jī)的正常運(yùn)行。本文研究的主要內(nèi)容是利用流體計(jì)算軟件分析壓氣機(jī)第0級(jí)動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而檢驗(yàn)壓氣機(jī)動(dòng)葉片設(shè)計(jì)的合理性。

1 葉片的校核

首先對(duì)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行受力分析。對(duì)于壓氣機(jī)動(dòng)葉來(lái)說(shuō)，主要受3個(gè)力的作用：離心力、氣動(dòng)力和葉片根部的固定力（重力與這三種力相比小很多，可以忽略不計(jì)）。由于固定力和離心力均可以給出，只有氣動(dòng)力的分布較為復(fù)雜，沒有直接適用的公式可以計(jì)算出來(lái)，所以我們首先要通過(guò)CFX軟件來(lái)對(duì)壓氣機(jī)第0級(jí)葉片的流場(chǎng)按照給定的條件進(jìn)行模擬，得出葉片表面的氣動(dòng)力，然后在Workbench下把這種氣動(dòng)力與其他力進(jìn)行耦合，來(lái)計(jì)算葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。有關(guān)葉片的幾何模型已由葉片設(shè)計(jì)者給定，葉片的基本材料參數(shù)為：合金鋼，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量E＝2.1×1011Pa，抗拉強(qiáng)度σb＝1 000～1 200 MPa，屈服極限為850 MPa。

2 材料的破壞準(zhǔn)則

材料的主要破壞形式有兩種：屈服和斷裂。相應(yīng)的強(qiáng)度理論也分為兩類：一類是解釋斷裂破壞的最大拉應(yīng)力理論和最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論，即第一強(qiáng)度理論和第二強(qiáng)度理論；另一類是解釋屈服破壞的最大剪應(yīng)力理論和形狀改變比能理論，即第三和第四強(qiáng)度理論。

本文所研究的材料為某合金鋼，屬于塑性材料，根據(jù)受載荷形式和工程經(jīng)驗(yàn)積累，選擇第四強(qiáng)度理論。其計(jì)算公式為

其中，σs為材料的屈服極限，σs除以安全系數(shù)得許用應(yīng)力［σ］，于是根據(jù)第四強(qiáng)度理論所建立的強(qiáng)度準(zhǔn)則是：

其中，許用應(yīng)力［σ］≈850 MPa。

3 流場(chǎng)分析

打開CFX軟件，做出靜葉和動(dòng)葉的拓普結(jié)構(gòu)，建立起整個(gè)流道的流場(chǎng)。然后給流場(chǎng)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為100 000個(gè)。最后設(shè)定邊界條件：動(dòng)葉的轉(zhuǎn)速為-3 000 r/min，工質(zhì)為理想氣體，類型為穩(wěn)態(tài)，參考?jí)毫κ? Pa，湍流模型為k-Epsilon模型，進(jìn)口總壓0.104MPa，出口靜壓0.131MPa，總溫為288.15 K，入射角度為垂直入射。制作的流道網(wǎng)格模型如圖1、圖2所示。

圖1 葉片流道模型

圖2 流道整體的網(wǎng)格模型

通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算求解，最后得到了葉片周圍穩(wěn)定的流場(chǎng)分布，而我們最關(guān)心的就是葉片表面的氣動(dòng)力，圖3和圖4是壓氣機(jī)第0級(jí)葉片的動(dòng)葉和靜葉的壓力云圖：圖3的左邊為動(dòng)葉，右邊為靜葉，圖4則正好相反。從圖中我們可以看到葉片表面上的壓力分布，表明通過(guò)第0級(jí)葉片的壓縮，氣體的壓力得到了一定的提升。

圖3 壓氣機(jī)第0級(jí)葉片的壓力云圖

圖4 壓氣機(jī)第0級(jí)葉片的壓力云圖

4 結(jié)構(gòu)分析

圖5 第0級(jí)動(dòng)葉有限元模型

4.1 動(dòng)葉有限元模型

將動(dòng)葉葉形劃分網(wǎng)格，由于葉片帶有葉根部分，整體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，所以采用表面切割的方式把葉片和葉根分開，然后合為一個(gè)整體，分別進(jìn)行劃分，這樣所得到的葉片網(wǎng)格是六面體網(wǎng)格，圖5所展示的就是壓氣機(jī)第0級(jí)動(dòng)葉網(wǎng)格劃分的有限元模型。該有限元模型具有1 689個(gè)單元，8 514個(gè)節(jié)點(diǎn)。

然后對(duì)該模型進(jìn)行材料設(shè)定。最后對(duì)葉片進(jìn)行載荷施加，包括離心力、氣動(dòng)力和約束力，氣動(dòng)力由CFX中模擬的情況導(dǎo)出，與其他力進(jìn)行耦合。之后，再做一組沒有離心力的情況進(jìn)行對(duì)比，觀察離心力對(duì)葉片的影響。

4.2 動(dòng)葉靜強(qiáng)度分析

通過(guò)計(jì)算機(jī)求解計(jì)算，我們可以看到一些相關(guān)計(jì)算結(jié)果。圖6所示為兩種情況下葉片總變形的結(jié)果，單位為m。

從圖6（a）中可見，葉片在正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片最大變形處發(fā)生在葉片頂部，變形能達(dá)到14.6 mm，而葉片的根部附近基本上不發(fā)生任何變形。通過(guò)圖6（a）和圖6（b）的對(duì)比我們還可以發(fā)現(xiàn)，離心力的作用對(duì)葉片變形的影響很大，如果略去離心力的影響，變形最大值僅約5.7 mm。

圖6 氣動(dòng)力作用下動(dòng)葉變形云圖

圖7所示為轉(zhuǎn)動(dòng)情況下氣動(dòng)力作用下的動(dòng)葉應(yīng)力云圖，單位為Pa。

圖7 氣動(dòng)力作用下動(dòng)葉應(yīng)力云圖（葉片轉(zhuǎn)動(dòng)）

本文所研究的壓氣機(jī)葉片材料抗拉強(qiáng)度σb＝1 000～1 200 MPa，屈服極限＝850 MPa，根據(jù)有限元的計(jì)算，在葉片壓力面的中心處和葉片根部附近壓力最大，最大等效應(yīng)力約580 MPa，沒有達(dá)到葉片材料的屈服極限，滿足靜強(qiáng)度要求，葉片沒有被破壞。

圖8所示是葉片在靜止情況下的應(yīng)力云圖，單位為Pa。通過(guò)圖7和圖8的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，若動(dòng)葉不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，所受到的壓應(yīng)力將大大減小，最大等效應(yīng)力不過(guò)120 MPa，與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受應(yīng)力相比不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。由此可見，離心力是導(dǎo)致材料變形的主要因素。

圖8 氣動(dòng)力作用下動(dòng)葉應(yīng)力云圖（葉片靜止）

5 結(jié)論

壓氣機(jī)葉片在正常工作時(shí)要承受各種負(fù)荷的影響，針對(duì)這些負(fù)荷進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，初步探討了壓氣機(jī)葉片強(qiáng)度的有限元分析方法。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，壓氣機(jī)動(dòng)葉在工作的過(guò)程中沒有達(dá)到屈服極限，更談不上斷裂，所以該種葉片形狀的設(shè)計(jì)和材料的選取均滿足靜強(qiáng)度要求。

（編輯啟 迪）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0134－02

劉勃（1987—），男，助理工程師，從事汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的相關(guān)工作。

2014-02-21