[发明专利]一种基于有限元的汽轮机末级长叶片扭振动应力获取方法

说明书

一种基于有限元的汽轮机末级长叶片扭振动应力获取方法，涉及汽轮机设计领域，针对现有技术得到的动应力值不能对汽轮机末级叶片在轴系受到扭振时的安全性进行预测的问题，由于轴系在电网瞬态不平衡时的扭矩值T与扭振引起的长叶片动应力分布紧密相关，因此本发明对整圈叶片和相应的转子结构在工作转速下的受力进行有限元求解；得到各节点的应力‑应变分布值，利用Lanczos方法提取系统的前n阶频率f₁～f_n；将轴系在电网瞬态不平衡时的扭矩值T作为激励施加在系统上，应用模态叠加法，得到末级长叶片的动应力值。这种计算方法得到的动应力值可以对汽轮机末级叶片在轴系受到扭振时的安全性进行预测，从而避免了事故的发生。

技术领域

本发明涉及汽轮机设计领域，具体为一种基于有限元的汽轮机末级长叶片扭振动应力获取方法。

背景技术

汽轮发电机组的轴系由多个转子组成，动叶片按照一定的规律整圈安装在转子上。随着汽轮机功率的增加，蒸汽初参数的提高，轴系的转子数增多，轴系也变得相对细长，汽轮机末级叶片也越来越长。目前火电全转速机组的末级长叶片已达到1.2米以上，核电半转速的末级长叶片已达到1.8米以上。当电网不平衡时在交变扭矩的作用下轴系可能发生扭转共振而在叶片上产生很大的动应力，造成汽轮机叶片的断裂飞脱，进而在轴系上产生非常大的不平衡力，使得事故扩大甚至机组毁坏，造成更大的损失。

目前国内外的汽轮机制造厂都进行了末级长叶片扭振频率计算，并规定了许可的安全频率范围。但是这种方法并不能得到叶片在扭振时的叶身动应力，根据理论可知，叶片的振动损坏，本质原因是损坏部位的动应力超过了叶片材料的耐振强度，因此保证叶片的动应力在耐振强度范围内就重要的多了。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术得到的动应力值不能对汽轮机末级叶片在轴系受到扭振时的安全性进行预测的问题，提出一种基于有限元的汽轮机末级长叶片扭振动应力获取方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于有限元的汽轮机末级长叶片扭振动应力获取方法，包括以下步骤：

步骤一：建立整圈末级长叶片及相应转子结构的有限元模型；

步骤二：定义有限元模型中整圈末级长叶片及相应转子结构的机械特性；

步骤三：对定义后的整圈末级长叶片之间以及相应转子和整圈末级长叶片之间的连接界面分别进行耦合处理；

步骤四：对耦合处理后的整圈末级长叶片及相应转子设定工作转速，然后计算整圈末级长叶片及相应转子在工作转速下的稳态应力及位移分布；

步骤五：根据整圈末级长叶片及相应转子工作转速下的稳态应力及位移分布得到整圈末级长叶片及相应转子工作转速下的应力和位移，以工作转速下的应力和位移为边界条件提取前n阶频率f₁～f_n；

步骤六：提取转子两端面的扭矩值T1和T2；

步骤七：根据前n阶频率f1～fn，将转子两端面的扭矩值T1和T2以激励的形式施加到工作转速下的叶片和转子系统上，得到末级叶片的动应力。

进一步的，所述机械特性包括阻尼特性和弹性模量。

进一步的，所述步骤五中利用Lanczos方法提取前n阶频率f₁～f_n。

进一步的，所述步骤七中根据前n阶频率f1～fn，将扭矩T1和T2以激励的形式施加到工作转速下的叶片和转子系统上通过模态叠加法进行。

进一步的，所述方法还包括动应力检测步骤，所述检测步骤为：

根据末级长叶片的材料得到GOODMAN曲线，并结合步骤四得到的稳态应力和步骤七得到的动应力判断是否合格。