PDF《李锐第32 卷第5期应》

项目基金:国家自然科学基金项目(项目编号:51475365)和陕西教育厅科研项目(项目编号:12JK0681,2013JK1000) 作者简介: 张利娜, (1990-), 女, 陕西渭南人, 汉族, 硕士研究生, 主要从事: 机械 CAD/CAM 和旋转机械动力学方面的研究.

E-mail: [email protected]. 李德信(1965-),男,山东省莱阳市人,汉族,副教授,工学博士,主要从事:机械 CAD/CAM、CIMS 和旋转机械非线性动力学方面研究. E-mail:[email protected] 李锐(1988 -),女,陕西西安人,汉族,硕士研究生,主要从事:机械 CAD/CAM 和旋转机械动力学方面的研究.E-mail: [email protected]. 应用力学学报CHINESE JOURNAL OFAPPLIED MECHANICS 第32 卷第5期2015 年10 月Vol.32 No.5 Oct.

2015 2 应用力学学报第32 卷第0期第一作者姓名,等:文章标题

3 文章编号:1000- 4939(2015) 05-0000-00 叶盆积灰对 TRT 叶片静力学性能的影响分析 张利娜 李德信 李锐 杨世强 (西安理工大学,机械与精密仪器工程学院,西安,710048) 摘要:高炉煤气余压发电透平(即TRT)是利用高炉煤气所具有的热能及压力能进行发电的一种机 械装置.叶片是 TRT 装置中能量转化的核心部件,工作过程中在其表面形成的积灰对叶片的力学 性能会产生严重的影响.对此本文建立了积灰后叶片的几何模型和有限元分析模型,计算了在同 等工况下,具有不同积灰厚度的叶片的静态应力和应变,并与未积灰状态的叶片的应力应变进行 对比分析,获得了积灰状态下叶片的应力、应变分布规律.对积灰后的叶片进行了模态分析,得 出积灰厚度与叶片固有频率之间的关系曲线.分析结果对实际生产具有指导意义. 关键词:TRT 叶片;

积灰;

有限元分析;

静态特性;

固有频率 中图分类号: XX000 文献标识码:A

1 引言高炉煤气余压发电透平装置的英文缩写为 TRT(Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit, 简称为 TRT),是利用高炉排出的具有一定压力能及 热能的煤气推动透平膨胀机做功并将煤气中蕴含的 余热、余压转化为机械能或电能以实现能量回收的 一种机械装置. 进入 TRT 装置的高炉煤气含尘量大, 叶片表面 容易形成结实致密的灰垢,灰垢将会改变叶片本身 诸如刚度、重心以及质量等物理特性和力学性能, 进而影响到机组的整体性能. 国内 80%的TRT 机组 [1]在运行过程中,当透平排气温度低于其沸点时, 遇到水及粉尘,则气体中就会有固体析出,并附着 在透平机的动、静叶片表面和机壳内壁上,日积月 累就形成了坚固的垢层.在机组运行过程中,垢层 不断集结和局部脱落,导致透平转子动平衡遭到破 坏,引起机组振动超标,导致机组不能正常工作.

2007 年8月29 日,某企业正在运行的 TRT 机 组因转子不平衡,导致停机.对机组进行检查发现 叶片上附着大量的积灰.该企业的高炉投产后曾多 次发生由于转子不平衡故障而导致机组停产现象的 产生, 每次停机揭缸时均发现 TRT 透平叶片上有厚 达2.0~5.0mm 的积灰垢层.由于叶片积灰导致的机 组不能正常工作对高炉正常生产造成了严重地影响 [2].同样采用叶片作为主要能量转换部件的汽轮机 也存在由于叶片积灰导致其不能正常工作的问题. 从一些典型机组故障总结出,当叶片积垢到 0.3mm 厚时,机组的通流能力就会减少 2%,使机组效率 下降 5%,且汽轮机内部部件表面会因为积垢剥落 变得粗糙,使效率损失加大.此外,积灰垢层的脱 落,还会导致转子轴承的负荷,造成故障,进一步 引起机组的振动等问题[3].国内外学者对叶片表面 积灰问题的研究相对较少,对积灰后叶片的力学特 性的研究就显得尤为重要[4]. 本文根据某企业生产的高炉煤气余压发电装 置中叶片的结构特点和实际运行工况,对附着积灰 的叶片进行静态和模态分析, 获得积灰对 TRT 叶片 力学性能的影响规律, 为企业解决 TRT 机组叶片的 断裂和机组的异常振动问题提供一些参考.

4 应用力学学报第32 卷2积灰 TRT 叶片分析模型的建立 2.1 叶片结构 TRT 叶片是由空间曲面包络而成的实体结构, 主要包括叶型和叶根两部分[5] ,如图

1 所示.叶型 是叶片的基本部分,由它构成气流的通道并起着能 量转换的关键作用,工作时承受离心力和气流力的 共同作用;

叶型部分除了应该符合气体动力学的要 求外,还应该满足结构强度和加工方面的要求.叶 根是连接叶型和叶轮轮毂的部分.本文所研究的叶 片的叶根结构属于双 T 型结构,有两级榫齿,分别 为一级榫齿和二级榫齿.叶根和轮缘配合牢靠,以 保证叶片在运行条件下与转子轴的子相对位置不 变. 图1叶片的结构 Fig.

1 the Structure of the blade 2.2 积灰叶片几何模型的建立 一般机组工作一段时间后,TRT 叶片的各个部 位均会有积灰附着在上面,如图

2 所示.灰尘沉积 呈现两个明显的区域――平坦的沉积区和沿风向粒 子流运动方向冲刷形成的沟槽状放射区.本文建立 了叶盆积灰梯度分布模型来模拟积灰在叶盆的分布 情况.积灰分布在整个叶盆上,积灰厚度分别从进 气边的 5mm、4mm、3mm、2mm 递变到出气边的 1mm. 由于 TRT 叶片叶型结构复杂, 本文对积灰厚度 梯度变化按照叶型的曲率变化来处理.积灰厚度的 选择参照叶片的实际工况确定.出气边积灰厚度为 1mm,叶片出气边和进气边的积灰部分进行倒圆角 处理主要原因是为了分析时便于网格划分. 图2积灰叶片 Fig.

2 the fouling blade 图3SOLID187 实体单元 Fig.

3 SOLID187 element 图4TRT 叶片约束位置 Fig.4 TRT blade position constraint 2.3 积灰叶片分析模型的建立 2.3.1 材料特性 (1)叶片材料 叶片的材料为 2Cr13,由参考文献【6】和企业 提供的数据可知, 本文所分析的 TRT 叶片的材料特 性参数为:弹性模量 MPa,泊松比 ,密度 t/mm . (2)积灰材料 根据企业提供的材料特性和参考文献【7】 ,积灰部分的材料特性参数为:弹性模量为E=2.25* MPa , 泊松比=0.2 , 密度=2.6* t/mm . 2.3.2 单元类型和网格划分 (1)确定单元类型 TRT 叶片的结构为高度三维空间扭曲结构,根 据其特点和参考文献【8】 ,本文选用 Ansys 分析软 件中带中间节点的四面体单元 solid187 作为积灰叶 片的离散单元来建立分析模型,如图

3 所示.该单 第0期第一作者姓名,等:文章标题

5 元是一个高阶

3 维10 节点固体结构单元, 具有二次 位移模式,可以很好地模拟叶片的不规则结构. (2) 网格划分 本文采用 Hyermesh 软件中自动网格生成模式 对叶片进行网格划分,网格尺寸大小确定为 3mm. 由于积灰和叶片两部分的旋转自由度、位移自由度 数目以及类型都相等,根据文献[9]本文采用节点耦 合方式,将两者节点耦合,形成一个整体,这样积 灰上的受力就可以传递到叶片上. 2.3.3 边界约束和载荷加载 (1)边界约束 边界约束的准确性与计算结果的可靠性和计 算精度密切相关. 由TRT 叶片的结构和安装特点可 知,叶根受约束的面为叶根与隔叶块之间紧贴的周 向面和榫齿与榫齿槽啮合面.因此,本文分别约束 TRT 叶片叶根榫齿面 Z 方向和叶根周向面的 X、Y 方向的平动自由度,具体约束位置如图

5 所示. (2)载荷加载 叶片静态载荷主要来源于离心载荷和稳态气 流载荷.叶片工作转速为 3000rp/min,因此离心力 以角速度 314rad/s 进行加载;

对于稳态气流压力载 荷,根据本机叶片工作时的实际工况,在叶片的叶 背和叶盆处分别施加 0.076MPa、0.088MPa 的均布 压力来模拟叶片的稳态气流力的作用.

3 静态分析 为了获得积灰对 TRT 叶片力学性能的影响, 本 文对积灰叶片和未积灰叶片在同等工况下进行了静 态特性分析.便于分析,本文在分析时,不考虑积 灰对流场的影响,积灰后的叶片和未积灰的叶片所 受到的载荷和约束是相同的. 3.1 应力分析 利用前面所建的分析模型,施加上相应的载 荷,对未积灰叶片和具有不同厚度积灰的叶片进行 了有限元分析.图5(a)、(b)所示为未积灰叶片的应 力云图.叶片的整体应力分布情况:(1)未积灰叶片 叶根部分:从图 5(a)中可以看出,叶根的四个榫齿 槽处应力较大,在榫齿面与圆弧过渡处均出现应力 集中现象. 一级榫齿处的应力值相比二级榫齿处大, 最大应力出现在叶根进气边一级榫齿槽与圆弧的过 渡处,其值为 1156MPa.在此处存在严重的应力集 中现象, 最大应力值远远超过叶片材料的屈服强度. 这主要是因为计算时没有考虑叶片材料本身的塑性 变形,且该处截面小,存在结构突变而引起的局部 应力集中.因此本文不将这些点的应力水平作为叶 片的整体是否安全的依据.叶根其它部位应力值相 对较小.(2)未积灰叶片叶型部分:从图 5(b)中可以 看出,叶型上的应力值都在 207MPa 以下,应力值 从叶型与叶根的交界处向叶顶逐渐减小.叶型上最 大应力出现在叶背与叶根的过渡处,其值为203.6MPa.叶盆的中下部和叶盆与叶根交界处的应 力相对比较大, 其值分别在 115.3~142.326MPa 之间 和68.26~72.65MPa 之间. (3)积灰叶片: 图5(c)、 (d)、 (e)、(f)分别是叶片表面附着的积灰厚度分别为 2mm~1mm、3mm~1mm、4mm~1mm、5mm~1mm 时叶片的应力云图.从图上可以看出,不管在哪种 情况下积灰叶片的整体应力分布规律与未积灰叶片 基本相同,只是应力值的大小不同以及最大应力的 位置发生了变化.积灰厚度为2mm~1mm 和3mm~1mm 叶片的最大应力出现的位置与未积灰叶 片相同,即为出气边一级榫齿处,积灰厚度为 4mm~1mm 和5mm~1mm 叶片的最大应力的位置出 现在进气边一级榫齿处. 从以上分析可知,叶片有几个部位的应力水平 比较高.为了更好地观察叶片在静态载荷下不同部 位的应力分布情况,选取如图

6 所示的

5 个重点部 位对叶片进行定量分析.分别提取

5 个部位最大应 力值,如表

1 所示.并运用 MATLAB 软件进行最 小二乘法五次拟合曲线来模拟应力随积灰厚度变化 的规律,如图

7 所示.从图

7 可以看出,叶片的最 大应力基本上随着积灰厚度的增加而增大,其它五 个部位的应力随着积灰厚度的增加呈现增大―减小 ―增大的变化规律. (a) 积灰 0mm 叶片的应力云图

6 应用力学学报第32 卷(b) 积灰 0mm 的叶型应力云图 (c)积灰 2mm~1mm 叶片的应力云 (d)积灰 3mm~1mm 叶片的应力云图 (e)积灰 4mm~1mm 叶片应力云图 (f)积灰 5mm~1mm 叶片的应力云图 图5TRT 叶片应力云图 Fig.

5 TRT blade stress nephogram 图6叶片重点部位 Fig.

6 Key parts of blade 表1各种积灰厚度下叶片重点部位的应力最大值 (单位;

Mpa) Table

1 ash thickness of leaves under the key parts of the maximum stress(unit;

Mpa) 积灰厚度 (mm) 最大等效应力(MPa) 最大 应力 位置 一 位置 二 位置三 位置四 位置 五01156

1156 1038 142.326 203.6 72.65 2~1

1244 1244

1119 163.269 207.585 86.076 3~1

1277 1277

1274 183.766 211.4 97.005 4~1

1305 1223

1305 186.542 204.647 91.066 5~1

1312 1240

1312 198.766 205.174 96.789 图7应力―积灰厚度五次拟合曲线 Fig.

7 stress - ash thickness five fitting curve 3.2 位移分析 (1)未积灰叶片:从图 8(a)可以看出,未积灰叶 片的最大位移出现在叶片进气边的顶部,其值为 0.391003mm,位移量从叶顶向叶型中部逐渐减小, 出气边的应力相对进气边的应力较小,这与叶片从 进气边到出气边由薄变厚的........