[發明專利]一種基于有限元的汽輪機末級長葉片扭振動應力獲取方法

在審

• 申請號: 202011638336.2
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112648024A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 馬義良;郭魁俊;李緒瑞;關淳;翁振宇;李宇峰;潘劭平;初世明;田宇;張迪;張遠;劉洋;武芏茳;李央
• 申請（專利權）人: 哈爾濱汽輪機廠有限責任公司
• 主分類號: F01D21/00
• 分類號: F01D21/00;F01D21/14;F01D25/00;G06F30/20
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 劉強

一種基于有限元的汽輪機末級長葉片扭振動應力獲取方法，涉及汽輪機設計領域，針對現有技術得到的動應力值不能對汽輪機末級葉片在軸系受到扭振時的安全性進行預測的問題，由于軸系在電網瞬態不平衡時的扭矩值T與扭振引起的長葉片動應力分布緊密相關，因此本發明對整圈葉片和相應的轉子結構在工作轉速下的受力進行有限元求解；得到各節點的應力?應變分布值，利用Lanczos方法提取系統的前n階頻率f₁～f_n；將軸系在電網瞬態不平衡時的扭矩值T作為激勵施加在系統上，應用模態疊加法，得到末級長葉片的動應力值。這種計算方法得到的動應力值可以對汽輪機末級葉片在軸系受到扭振時的安全性進行預測，從而避免了事故的發生。

技術領域

本發明涉及汽輪機設計領域，具體為一種基于有限元的汽輪機末級長葉片扭振動應力獲取方法。

背景技術

汽輪發電機組的軸系由多個轉子組成，動葉片按照一定的規律整圈安裝在轉子上。隨著汽輪機功率的增加，蒸汽初參數的提高，軸系的轉子數增多，軸系也變得相對細長，汽輪機末級葉片也越來越長。目前火電全轉速機組的末級長葉片已達到1.2米以上，核電半轉速的末級長葉片已達到1.8米以上。當電網不平衡時在交變扭矩的作用下軸系可能發生扭轉共振而在葉片上產生很大的動應力，造成汽輪機葉片的斷裂飛脫，進而在軸系上產生非常大的不平衡力，使得事故擴大甚至機組毀壞，造成更大的損失。

目前國內外的汽輪機制造廠都進行了末級長葉片扭振頻率計算，并規定了許可的安全頻率范圍。但是這種方法并不能得到葉片在扭振時的葉身動應力，根據理論可知，葉片的振動損壞，本質原因是損壞部位的動應力超過了葉片材料的耐振強度，因此保證葉片的動應力在耐振強度范圍內就重要的多了。

發明內容

本發明的目的是：針對現有技術得到的動應力值不能對汽輪機末級葉片在軸系受到扭振時的安全性進行預測的問題，提出一種基于有限元的汽輪機末級長葉片扭振動應力獲取方法。

本發明為了解決上述技術問題采取的技術方案是：

一種基于有限元的汽輪機末級長葉片扭振動應力獲取方法，包括以下步驟：

步驟一：建立整圈末級長葉片及相應轉子結構的有限元模型；

步驟二：定義有限元模型中整圈末級長葉片及相應轉子結構的機械特性；

步驟三：對定義后的整圈末級長葉片之間以及相應轉子和整圈末級長葉片之間的連接界面分別進行耦合處理；

步驟四：對耦合處理后的整圈末級長葉片及相應轉子設定工作轉速，然后計算整圈末級長葉片及相應轉子在工作轉速下的穩態應力及位移分布；

步驟五：根據整圈末級長葉片及相應轉子工作轉速下的穩態應力及位移分布得到整圈末級長葉片及相應轉子工作轉速下的應力和位移，以工作轉速下的應力和位移為邊界條件提取前n階頻率f₁～f_n；

步驟六：提取轉子兩端面的扭矩值T1和T2；

步驟七：根據前n階頻率f1～fn，將轉子兩端面的扭矩值T1和T2以激勵的形式施加到工作轉速下的葉片和轉子系統上，得到末級葉片的動應力。

進一步的，所述機械特性包括阻尼特性和彈性模量。

進一步的，所述步驟五中利用Lanczos方法提取前n階頻率f₁～f_n。

進一步的，所述步驟七中根據前n階頻率f1～fn，將扭矩T1和T2以激勵的形式施加到工作轉速下的葉片和轉子系統上通過模態疊加法進行。

進一步的，所述方法還包括動應力檢測步驟，所述檢測步驟為：

根據末級長葉片的材料得到GOODMAN曲線，并結合步驟四得到的穩態應力和步驟七得到的動應力判斷是否合格。