用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法技术

用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法，属于汽轮机叶片技术领域。本发明专利技术解决了现有技术中汽轮机叶片水蚀缺损极限无法量化的问题。技术要点：步骤1，确定叶片水蚀缺损区域；步骤2，建立叶片水蚀缺损模型；步骤3，对叶片水蚀缺损模型进行有限元分析，确定叶片水蚀缺损尺寸上限；步骤4，评估叶片水蚀缺损结构的安全性，确定叶片模型缺损深度和长度的上限尺寸。本发明专利技术采用叶片三维气动流场分析，以及叶片现场运行记录，建立叶片水蚀缺损模型，并基于三维有限元方法分析叶片的强度与振动安全性，量化给出叶片的水蚀缺损极限，判断了目标叶片的安全运行风险，对于叶片的安全运行、精密检修具有重要的指导意义。精密检修具有重要的指导意义。精密检修具有重要的指导意义。

【技术实现步骤摘要】
用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法


[0001]本专利技术涉及一种叶片水蚀缺损安全性的计算方法，具体涉及一种用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法，属于汽轮机叶片


技术介绍

[0002]汽轮机在运行时不仅受到离心力的作用，还要受到水蒸汽的冲击，在汽轮机低压通流中，从进口到出口随着水蚀汽温度和压力参数的不断降低，水蒸汽会出现由单相向两相转换的过程，这使得通流中部分水蒸汽变成了水滴，水滴夹杂在高速的水蒸汽中，不断冲击着叶片，在高速水滴的冲蚀下叶片缺损不断变大，直至叶片出现断裂失效。由于汽轮机的工质为水蒸汽，导致叶片的水蚀是不可避免的，在汽轮机机组大修时，对于叶片水蚀缺损的安全性没有一个量化的指标，在多数情况下，叶片能否继续运行完全依靠工程经验，这使得叶片在运行过程中存在安全性风险。因此，亟待开发一种用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法，判断目标叶片的安全运行风险，用以解决叶片水蚀缺损极限无法量化的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了克服上述现有技术中汽轮机叶片水蚀缺损极限无法量化的问题，提供了一种用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法，在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。
[0004]本专利技术的技术方案：
[0005]一种用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，确定叶片水蚀缺损区域
[0007]进行叶片全三维气动流场分析确定，或者根据叶片在现场的运行情况确定水蚀区域，记录机组每次大修时确定叶片的水蚀缺损区域，将缺损严重的区域确定为水蚀缺损区域；
[0008]步骤2，建立叶片水蚀缺损模型
[0009]根据现场的运行情况以及全三维气动流场分析结果建立叶片水蚀缺损模型，在叶片水蚀缺损区域取不同深度、不同长度建立组合模型，模型缺损深度和长度的上限尺寸为叶片的强度与振动的许用值；
[0010]步骤3，对叶片水蚀缺损模型进行有限元分析，确定叶片水蚀缺损尺寸上限
[0011]有限元分析包括静应力、动频率以及动应力分析；
[0012]其中：静应力基于有限元弹性分析，分析考核叶片的危险界面的平均应力和局部的峰值应力；
[0013]动频率基于运行转速下的预应力，分析考核叶片的共振转速是否避开危险运行区
间；
[0014]动应力基于谐响应分析，将流体计算得到的压力作为激振力，加载至叶片结构表面进行响应分析，分析考核叶片的动应力是否满足叶片材料的耐振强度极限；
[0015]步骤4，评估叶片水蚀缺损结构的安全性，确定叶片模型缺损深度和长度的上限尺寸
[0016]根据步骤3中的有限元分析结果，得到的叶片静应力水蚀缺损极限，动频率水蚀缺损极限，以及动应力水蚀缺损极限，取三个极限中叶片水蚀缺损尺寸最小值，作为判断目标叶片是否超出水蚀缺损的尺寸极限，如果叶片水蚀缺损超出此尺寸极限，叶片将存在失效风险；如果叶片水蚀缺损小于此尺寸极限，叶片可继续运行。
[0017]进一步地：所述步骤1中，进行叶片全三维气动流场分析，得到叶片在不同工况下的流线和湿度，结合电厂实际运行后的叶片水蚀缺损情况，确定叶片的水蚀区域；具体地：
[0018]首先，进行叶片的流体计算几何模型建立，模型采用循环周期对称模型，几何参数包括静、动叶片的中径、叶高、根部扩张角、根部扩张角、叶片数量以及叶片转速；
[0019]然后，基于几何模型进行流体网格划分，网格采用结构化六面体网格，并进行网格无关性验证，取计算效率和精度最优的网格数量；
[0020]然后，对流体网格模型加载边界参数，流体状态为粘性、可压缩流动，流体满足物理守恒定律；流体采用水和水蒸气工质，采用SST湍流模型，壁面采用光滑和绝热的边界条件，静叶流域设置为静止域，动叶流域设置为旋速3000rpm，计算流域进口给定总压、总焓，出口给定静压，得到叶片在不同工况下的流线和湿度；
[0021]最后，结合电厂实际运行后的叶片水蚀缺损情况，确定叶片的水蚀区域，当叶片在41％以上负荷工况时，水蒸汽主要冲蚀叶片的进汽侧，且由于叶型顶部的气流速度比叶型根部大，选择叶片的叶型顶部进汽侧为水蚀缺损区域；当叶片在41％以下负荷工况时，由于流道中出现了涡流、回流现象，导致叶型根部出汽侧出现水蚀，选择叶片叶型根部出汽侧为水蚀缺损区域。
[0022]进一步地：所述步骤2中，在同一水蚀区域建立不同高度和深度的水蚀缺损模型，水蚀在高度方向缺损模型，每50mm建立一个模型；水蚀在深度方向缺损模型，每2mm建立一个模型。
[0023]进一步地：所述步骤3中，对叶片水蚀缺损模型进行有限元分析，有限元计算模型采用循环对称设置，循环对称体包括一个节距的叶片和转子轮槽，对于叶片的围带与围带之间、拉筋与拉筋之间、叶根与叶根之间、叶根与轮槽之间采用接触设置，对于叶片和转子设置材料的密度、弹性模量、泊松比；叶片和转子网格采用结构化的六面体网格，网格边长比控制在3：1，采用一阶减缩积分实体单元；
[0024]叶片静载荷包括离心力和蒸汽压力，离心力设置叶片和转子的旋转角速度，蒸汽压力基于流体分析结果，经流固耦合后加载至叶片表面，进行静应力分析；
[0025]叶片动频率计算在2000rpm～3300rpm转速之间，每隔100rpm进行动频率分析，并在坎贝尔图中绘制共振转速和共振频率；
[0026]基于叶片流体计算结果，经流固耦合给定叶片激振力，并根据叶片的阶数和节径数给定激振力的激振因子，结合叶片的结构类型，给定阻尼系数，采用谐响应方法进行叶片的动应力分析。
[0027]进一步地：静应力分析中，当叶片水蚀缺损模型的峰值应力超出叶片材料的许用值时，此时的叶片水蚀缺损结构即为静强度考核下的上限尺寸，对于叶片的静应力考核公式如下：
[0028]峰值应力σ
F
＝(σ2+3τ2)
1/2
ꢀꢀ
(1)
[0029][σ]＝ K
i / S
i
ꢀꢀ
(2)
[0030]峰值应力σ
F
＜[σ](3)
[0031]式中：σ为主应力；τ为剪应力；K
i
为材料的屈服强度；S
i
为安全系数；σ
F
为叶片峰值应力；[σ]为叶片的静强度许用值。
[0032]进一步地：动频率分析中，当叶片水蚀缺损模型的动频率超出允许的安全范围时(工作频率*6％～工作频率*3％)，此时的叶片水蚀缺损结构即为动频率考核下的上限尺寸，对于叶片的动频率考核公式如下：
[0033]弯曲振动频率
[0034]扭转振动频率
[0035]工作频率*6％＜f
01 or f
02
＜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定叶片水蚀缺损区域进行叶片全三维气动流场分析确定，或者根据叶片在现场的运行情况确定水蚀区域，记录机组每次大修时确定叶片的水蚀缺损区域，将缺损严重的区域确定为水蚀缺损区域；步骤2，建立叶片水蚀缺损模型根据现场的运行情况以及全三维气动流场分析结果建立叶片水蚀缺损模型，在叶片水蚀缺损区域取不同深度、不同长度建立组合模型，模型缺损深度和长度的上限尺寸为叶片的强度与振动的许用值；步骤3，对叶片水蚀缺损模型进行有限元分析，确定叶片水蚀缺损尺寸上限有限元分析包括静应力、动频率以及动应力分析；其中：静应力基于有限元弹性分析，分析考核叶片的危险界面的平均应力和局部的峰值应力；动频率基于运行转速下的预应力，分析考核叶片的共振转速是否避开危险运行区间；动应力基于谐响应分析，将流体计算得到的压力作为激振力，加载至叶片结构表面进行响应分析，分析考核叶片的动应力是否满足叶片材料的耐振强度极限；步骤4，评估叶片水蚀缺损结构的安全性，确定叶片模型缺损深度和长度的上限尺寸根据步骤3中的有限元分析结果，得到的叶片静应力水蚀缺损极限，动频率水蚀缺损极限，以及动应力水蚀缺损极限，取三个极限中叶片水蚀缺损尺寸最小值，作为判断目标叶片是否超出水蚀缺损的尺寸极限，如果叶片水蚀缺损超出此尺寸极限，叶片将存在失效风险；如果叶片水蚀缺损小于此尺寸极限，叶片可继续运行。2.根据权利要求1所述的用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法，其特征在于：所述步骤1中，进行叶片全三维气动流场分析，得到叶片在不同工况下的流线和湿度，结合电厂实际运行后的叶片水蚀缺损情况，确定叶片的水蚀区域；具体地：首先，进行叶片的流体计算几何模型建立，模型采用循环周期对称模型，几何参数包括静、动叶片的中径、叶高、根部扩张角、根部扩张角、叶片数量以及叶片转速；然后，基于几何模型进行流体网格划分，网格采用结构化六面体网格，并进行网格无关性验证，取计算效率和精度最优的网格数量；然后，对流体网格模型加载边界参数，流体状态为粘性、可压缩流动，流体满足物理守恒定律；流体采用水和水蒸气工质，采用SST湍流模型，壁面采用光滑和绝热的边界条件，静叶流域设置为静止域，动叶流域设置为旋速3000rpm，计算流域进口给定总压、总焓，出口给定静压，得到叶片在不同工况下的流线和湿度；最后，结合电厂实际运行后的叶片水蚀缺损情况，确定叶片的水蚀区域，当叶片在41％以上负荷工况时，水蒸汽主要冲蚀叶片的进汽侧，且由于叶型顶部的气流速度比叶型根部大，选择叶片的叶型顶部进汽侧为水蚀缺损区域；当叶片在41％以下负荷工况时，由于流道中出现了涡流、回流现象，导致叶型根部出汽侧出现水蚀，选择叶片叶型根部出汽侧为水蚀缺损区域。3.根据权利要求2所述的用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法，其特征在于：所述步骤2中，在同一水蚀区域建立不同高度和深度的水蚀缺损模型，水蚀在高
度方向缺损模型，每50mm建立一个模型；水蚀在深度方向缺损模型，每2mm建立一个模型。4.根据权利要求3所述的用于评估汽轮机叶片水蚀缺损安全性的有限元计算方法，其特征在于：所述步骤3中，对叶片水蚀缺损模型进行有...

【专利技术属性】
技术研发人员：马义良，潘劭平，李宇峰，关淳，刘洋，郭魁俊，梁天赋，赵洪羽，徐林峰，张春秀，邵崇晖，李光磊，初世明，郑宏伟，尉坤，程学亮，李洪亮，
申请(专利权)人：哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，
类型：发明
国别省市：