基于有限元的船舶轮机叶片失效与改进设计

董明达 理工造船（鄂州）股份有限公司

在应急推进装置、燃气轮机等动力推进装置以及风机、叶片泵等辅助动力装置中船舶轮机叶片应用较为广泛，轮机叶片在水介质中运行的过程中水流从叶片进水口流入，从出水口流出，叶片主要承受水流的冲刷和阻力。为提高叶片的过流能力和转轮运行效率，通常在叶片设计过程中减小叶片厚度、增大叶片刚度和强度，使其既不断裂失效，又不会发生较大变形。但是，叶片厚度减薄后发生疲劳断裂失效的可能性大大增加，由于船舶轮机叶片长期运行于水下环境中，对其应力及位移分布情况进行测量存在较大难度，无法得知叶片是否存在断裂的可能及原因，也无法有效改善叶片几何结构。为此，本文通过有限元分析软件对船舶轮机叶片运行过程进行模拟，得出叶片应力场及位移场等的实际分布情况，为叶片断裂失效故障的有效解决提供技术支持和方案设计。

1.模型构建

某典型船舶轮机叶片由传动轴和叶片结构构成，且叶片呈不规则的几何结构，上下表面均为形式复杂的超曲面。考虑到该轮机形状结构的特殊性，很难构建起与实际叶片完全一样的模型。故在建模时将叶片离散为485个非常小的六面体，以尽量逼近叶片实际，叶片表面所承受的压强随曲面变化，也就是说叶片表面每一点压强均不同，为此，根据等效原则将荷载平均加载至各个面。所构建的船舶轮机叶片有限元模型具体见图1。……