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汽轮机末叶片叶根的强度分析与优化

发布于:2016-06-16 17:27
强度分析

      汽轮机叶片长期运行在极为复杂的工作条件下,并在运行中承受着拉力、扭力和振动应力等组成的复杂应力。汽轮机的叶片通过叶根与转子上的叶轮和轮缘联接在一起作高速旋转,对于叶片、叶轮等强度分析,最早是用建立在理论分析基础上的简化公式或经验公式进行分析计算的,需要对模型进行大量的简化工作,将叶片简化为叶根固定的变截而梁,轮缘按作用有离心载荷的三维实体进行强度分析。对于强度问题而言,由于叶片自身的强度问题往往涉及叶根与轮缘甚至销钉之间的相互作用,既难以通过解析方式求解,也很难以一种工程简化方法精确分析。
      有限元分析方法为解决这些复杂的设计分析计算问题提供了有效的手段。有限元应力分析可用于确定结构在外部载荷作用下所引起的应力应变,用于静强度校核、耐久性分析、损伤容限分析、设计阶段研制试验项口选择、关键部位的确定、材料选择、强度验证试验中载荷情况确定等,同时也是整机和部件传力分析的重要依据。而使用数值训一算可以通过材料的弹塑性模型、接触分析等技术对工程实际中的挤压变形、过盈装配等进行一定程度上的逼近,较好模拟工程实际的效果。
      本研究对一种带销钉铆接结构的135MW汽轮机高压级封口末叶片进行三维有限元强度分析,基于分析结果进行结构优化,寻求封口末叶片的最优设计方案。
      T型或双倒T型叶根是汽轮机常见的叶根形式,常用于汽轮机高中压级,在这些级,封口末叶片可采用插入式的铆接结构,如图所示。同T型叶根相比,有销钉的铆接结构的叶根和轮缘由销钉连接起来,销钉孔减弱了承载截而的强度和刚度,而且受力接触而比T型叶根要小。在汽轮机运行时,这些因素都使得封口末叶片的叶根应力可能大于其它叶片的叶根应力,在结构设计不合理或加工制造不符合要求时,极易造成叶根损坏或销钉断裂等安全事故。
      本研究针对某135 MW汽轮机高压级封口末叶片进行强度分析和结构优化的研究。该级汽轮机动叶片150只,由于结构对称,取如图所示的一个基本结构扇区进行研究。此末叶片长度215 mm,叶根和轮缘由两根直径为13 mm的销钉铆接起来。
      本研究应用非线性有限元分析AppMSC.MARC对末叶片进行强度分析和结构优化的研究。采用分块建立模型的方法,用八节点六而体单元分别对围带、叶片、叶根、轮缘以及销钉进行建模,然后将围带,叶片和叶根采用粘接方式联接成为整体。叶片整体和轮缘,轮缘与销钉,销钉与叶根均采用一般接触模型。采用结构化网格建模,在接触区域进行了必要的细化。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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