F级重型燃气轮机压气机叶片强度分析

刘勃

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

F级重型燃气轮机压气机叶片强度分析

刘勃

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

利用数值模拟计算软件将已设计成型的燃气轮机压气机动叶片进行受力分析，将叶片所承受的气动力，离心力和叶片根部的固定力全部耦合在叶片上。然后用ANSYS软件建立有限元模型，模拟出叶片的变形程度和所受应力，最后通过第四强度理论校核叶片的强度是否满足要求。

压气机；叶片；强度校核

0 引言

F级重型燃气轮机对工作条件的要求相当苛刻。就压气机来说，它的叶片要承受很大的离心力、气动力及热应力，轴向还要承受比较大的机械载荷等。在这种高负荷的情况下，叶片必须具有较高的强度，否则就难以保证燃气轮机的正常运行。本文研究的主要内容是利用流体计算软件分析压气机第0级动叶片的结构强度，从而检验压气机动叶片设计的合理性。

1 叶片的校核

首先对压气机叶片进行受力分析。对于压气机动叶来说，主要受3个力的作用：离心力、气动力和叶片根部的固定力（重力与这三种力相比小很多，可以忽略不计）。由于固定力和离心力均可以给出，只有气动力的分布较为复杂，没有直接适用的公式可以计算出来，所以我们首先要通过CFX软件来对压气机第0级叶片的流场按照给定的条件进行模拟，得出叶片表面的气动力，然后在Workbench下把这种气动力与其他力进行耦合，来计算叶片的结构强度。有关叶片的几何模型已由叶片设计者给定，叶片的基本材料参数为：合金钢，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量E＝2.1×1011Pa，抗拉强度σb＝1 000～1 200 MPa，屈服极限为850 MPa。

2 材料的破坏准则

材料的主要破坏形式有两种：屈服和断裂。相应的强度理论也分为两类：一类是解释断裂破坏的最大拉应力理论和最大伸长线应变理论，即第一强度理论和第二强度理论；另一类是解释屈服破坏的最大剪应力理论和形状改变比能理论，即第三和第四强度理论。

本文所研究的材料为某合金钢，属于塑性材料，根据受载荷形式和工程经验积累，选择第四强度理论。其计算公式为

其中，σs为材料的屈服极限，σs除以安全系数得许用应力［σ］，于是根据第四强度理论所建立的强度准则是：

其中，许用应力［σ］≈850 MPa。

3 流场分析

打开CFX软件，做出静叶和动叶的拓普结构，建立起整个流道的流场。然后给流场划分网格，网格数为100 000个。最后设定边界条件：动叶的转速为-3 000 r/min，工质为理想气体，类型为稳态，参考压力是0 Pa，湍流模型为k-Epsilon模型，进口总压0.104MPa，出口静压0.131MPa，总温为288.15 K，入射角度为垂直入射。制作的流道网格模型如图1、图2所示。

图1 叶片流道模型

图2 流道整体的网格模型

通过计算机进行计算求解，最后得到了叶片周围稳定的流场分布，而我们最关心的就是叶片表面的气动力，图3和图4是压气机第0级叶片的动叶和静叶的压力云图：图3的左边为动叶，右边为静叶，图4则正好相反。从图中我们可以看到叶片表面上的压力分布，表明通过第0级叶片的压缩，气体的压力得到了一定的提升。

图3 压气机第0级叶片的压力云图

图4 压气机第0级叶片的压力云图

4 结构分析

图5 第0级动叶有限元模型

4.1 动叶有限元模型

将动叶叶形划分网格，由于叶片带有叶根部分，整体结构不规则，所以采用表面切割的方式把叶片和叶根分开，然后合为一个整体，分别进行划分，这样所得到的叶片网格是六面体网格，图5所展示的就是压气机第0级动叶网格划分的有限元模型。该有限元模型具有1 689个单元，8 514个节点。

然后对该模型进行材料设定。最后对叶片进行载荷施加，包括离心力、气动力和约束力，气动力由CFX中模拟的情况导出，与其他力进行耦合。之后，再做一组没有离心力的情况进行对比，观察离心力对叶片的影响。

4.2 动叶静强度分析

通过计算机求解计算，我们可以看到一些相关计算结果。图6所示为两种情况下叶片总变形的结果，单位为m。

从图6（a）中可见，叶片在正常转动时，叶片最大变形处发生在叶片顶部，变形能达到14.6 mm，而叶片的根部附近基本上不发生任何变形。通过图6（a）和图6（b）的对比我们还可以发现，离心力的作用对叶片变形的影响很大，如果略去离心力的影响，变形最大值仅约5.7 mm。

图6 气动力作用下动叶变形云图

图7所示为转动情况下气动力作用下的动叶应力云图，单位为Pa。

图7 气动力作用下动叶应力云图（叶片转动）

本文所研究的压气机叶片材料抗拉强度σb＝1 000～1 200 MPa，屈服极限＝850 MPa，根据有限元的计算，在叶片压力面的中心处和叶片根部附近压力最大，最大等效应力约580 MPa，没有达到叶片材料的屈服极限，满足静强度要求，叶片没有被破坏。

图8所示是叶片在静止情况下的应力云图，单位为Pa。通过图7和图8的对比可以发现，若动叶不发生转动，所受到的压应力将大大减小，最大等效应力不过120 MPa，与转动时所受应力相比不在同一个数量级上。由此可见，离心力是导致材料变形的主要因素。

图8 气动力作用下动叶应力云图（叶片静止）

5 结论

压气机叶片在正常工作时要承受各种负荷的影响，针对这些负荷进行了数值模拟计算，初步探讨了压气机叶片强度的有限元分析方法。通过计算结果可以看出，压气机动叶在工作的过程中没有达到屈服极限，更谈不上断裂，所以该种叶片形状的设计和材料的选取均满足静强度要求。

（编辑启 迪）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0134－02

刘勃（1987—），男，助理工程师，从事汽轮机、燃气轮机领域的相关工作。

2014-02-21