某型烟气轮机叶片的动频率分析.pdf

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1、化工机械2010焦某型烟气轮机叶片的动频率分析梁浩骞+王茂廷赵菊(辽宁石油化工大学)摘要用ANSYS软件对某型烟气轮机动叶片进行了动频率计算，在分析中没有人为假设边界条件，建模时采用接触关系和循环对称关系，得到的结果比传统算法更符合实际。关键词烟气轮机叶片动频率ANSYS中图分类号TKl4文献标识码A文章编号0254-6094(2010)01一0040_03烟气轮机(以下简称烟机)是重油催化裂化装置中主要的能量回收设备，在装置的各类故障停机中，由于烟机故障而导致机组停机占有很大的比例，烟机的平稳运行直接关系

2、到整个机组乃至整个装置的安全稳定长周期运行⋯。叶片是烟机经常发生故障的部件，烟机叶片的破坏主要有两方面原因：烟气对叶片的冲蚀和叶片的疲劳破坏。烟气的冲蚀主要与烟气中催化剂的浓度和粒度有关，而疲劳破坏则与叶片的自振频率有关。叶片的振动频率与叶片尺寸、温度及叶片根部固定情况等因素有关。准确计算叶片的动频率并避开激振力频率，使其不产生共振，防止疲劳破坏，有助于保证烟机长期、稳定、安全、高效和优质的运行。本文借助于通用有限元软件AN-SYS对某型烟机叶片进行动频率计算，探索了分析烟机叶片的有效方法，在计算中没有人为

3、的假设边界条件，引入接触条件和周期对称条件来模拟叶片在轮盘上固定的真实情况，计算结果比较准确。1建模与计算1．1动力学方程通常，利用有限元计算叶片的固有振动频率其实质是求解叶片的自由振动微分方程。由于叶片结构的阻尼很小，可以忽略不计，所以叶片静止时的动力学方程可表示为：[肘]{X}+[K]{x}={F}(1)式中[M]为质量矩阵，[K]为刚度矩阵，{F}为外力向量。对于旋转中的叶片，则有：[M]{x}+[G]{X}+[K+K。一K。]{X}={F}(2)式(2)比式(1)多出[G]、[K。]、[K。]3项，

4、其中[G]为反对称陀螺阻尼阵，源自旋转所引起的哥氏力作用；[K。]为由旋转引起的几何刚度阵；[K。]为由旋转引起的离心势刚度阵。使用ANSYS进行计算时，首先考虑离心力的静力影响：[K+K。一K。]{X}={，}(3)即计算离心力作用下的节点位移{x}和相应的[K]、[K。]，取初始值{x}。，通过迭代公式¨1：{X}i=[K，一。+K“一。一K。]7{F}(4)求出。再取{x}={x}sinmt得动叶片自由振动的特征值问题：[Kf．1+K鲋一l—K。一∞2M]{贾}=0(5)求解上式即可得到叶片的动频率和

5、模态。1．2叶片基本参数叶片和轮盘材料均为镍基高温合金GH738，密度8．229／cm3，工作温度下弹性模量为178GPa¨1，泊松比为0．3，转子转速为6380r／rain。叶片结构见图1。$梁浩骞，男，1981年11月生，硕士研究生。辽宁省抚顺市，113001。第37卷第1期化工机械41图1叶片结构图1．3有限元建模本例烟机一级共有63个叶片，根据叶片／轮盘组件的周期对称性，取一个周期对称段进行分析，即叶轮的1／63。由于叶片造型较复杂，所以先在PRO／E中建立叶片、轮盘模型”1，装配后导入ANSYS中

6、。模型网格的划分是模型分析中重要的一步，ANSYS主要提供两种划分方法：自由划分和映射划分”。。这两种方法各有优缺点，要根据模型特点和分析内容来选择较好的方法。本例中动频率的计算是分成两步进行的：首先计算离心应力和应变，然后在计及离心力的基础上计算模态。这两步对网格的要求不同，应力的计算要求考虑到应力集中的影响，在几何形状变化较大的部位需细化网格；而模态主要受叶片质量和刚度分布的影响，质量集中的部位网格也要密集，没有类似应力集中的现象。笔者经过多次尝试，用自由划分的方式得到了比较满意的网格(图2)，其中A和

7、A’面为循环对称面。该模型采用10节点4面体图2有限元网格图单元SOLID92进行划分，共分为37117个单元，58089个节点。SOLID92单元采用二次位移模式，非常适合模拟不规则形状结构。为了模拟叶片榫头在轮盘上嵌入部位的实际约束情况，在模型的榫头和轮盘接触表面创建了接触对，用目标单元TARGEl70和接触单元CON—TAl74创建接触面。由于接触区域表面之间是接触或分开是未知的，是突然变化的，所以将整个接触表面设成一对接触对来计算，见图3。图3接触对的设置2结果分析叶片振动频率和根部约束刚度有关，根

8、部约束刚度越大，自振频率越高。不同约束刚度模型频率计算的结果见表1。表1中模型1为上述所建模型，模型2、3为约束简化模型。其中，模型2为约束叶片榫槽工作面的全部自由度，这种模型没有考虑接触应力和变形，约束刚度比模型1高；模型3将叶片简化为根部为固定约束的悬臂梁，这是在叶片动频率传统算法中广泛使用的模型旧1，约束刚度最高。实际上根部约束并不是绝对刚性的，烟机叶片的枞树型叶根和榫槽之间留有间隙，供膨胀和冷却之用，工作