动叶围带与动叶片碰磨数值研究_曾瑜.pdf

设备管理与维修2023 2（上）0引言动叶片是烟气轮机的旋转部件；烟气流向动叶片时，动叶片在压力差的作用下高速旋转，而动叶围带位于动叶片外围，主要作用是控制动叶片叶顶与动叶围带之间的间隙，烟气在叶顶间隙处会发生分离现象，最终气流从吸力面间隙出口处流出，并与烟气主流掺混，形成泄漏流，泄漏流在间隙内部产生的损失和与主流之间的掺混损失，约占烟气轮机气动总损失的 1/31-2。目前叶顶间隙设计中仅以轮盘直径为参考基准，采用烟气轮机技术标准中的经验数据作为参考间隙值，见表 1。在实际设计中，需确定一个具体的数值作为间隙值，但在一定范围内选择间隙值时界限比较模糊，一般选取确定范围内的中间值作为最终间隙值，该方法会对参数设计的合理性产生一定影响，造成设计的间隙值偏小或偏大，间隙值偏小则会使动叶片与动叶围带发生碰磨现象，影响运行的安全性；间隙值偏大则动叶片顶部的泄漏量会增大，气动损失也就随之增大3。本文首先分析动叶片在热结构耦合作用下的应变分布云图，得出叶顶部位的应变值，其次通过分析动叶围带在热载荷作用下的应变分布云图，得出动叶围带内侧和端面的应变值，最后计算出动叶围带与动叶片之间需预留的最小间隙值，确保烟气轮机在安全运行的前提下，最大程度地减少气动损失。该仿真结果可为烟气轮机的结构设计提供理论依据。1分析方法以 1 台 3000 kW 功率的烟气轮机作为研究对象，该烟气轮机为单级透平，轮盘直径为 700 mm，采用轴向进气悬臂转子结构，动叶片叶根采用轴向安装的形式，动叶片旋转工作时，会产生巨大的离心力；动叶片在高温的工作环境中，会因热应力产生热变形。而动叶片内部的温度分布取决于其内部的热量交换，以及动叶片与外部介质之间的热量交换，一般认为是与时间相关的。动叶片内部的热交换采用以下的热传导方程来描述：cTt=xxTx()+yyTy()+zzTz()+Q?（1）其中，为密度，c 为比热容，x、y、z为导热系数，T 为温度，t 为时间，Q 为内热源密度。对于各向同性材料，不同方向上的导热系数相同，热传导方程可写为以下形式：cTt=2Tx2+2Ty2+2Tz2+Q?（2）动叶片热固耦合分析时，首先要对动叶片进行热稳态分析，再将计算结果加载到结构分析中，稳态分析时不需要考虑初始条件，只需将换热边界条件设置完整即可。2前期处理2.1建立模型在对动叶片和动叶围带进行数值分析时，先创建三维模型：建立动叶片模型（图 1）；装配模型由 1 副轮盘和 52 片动叶组成，动叶片沿着轮盘周向呈周期性分布，为减少计算量，在仿真模拟前，将模型进行剖分，取其一个周期性模型进行分析（图2）；建立动叶围带模型（图 3）。2.2划分网格网格划分时，由于模型形状较为复杂，不易用结构网格划分，所以选用 Teramesh 方法（一种有限元网格划分方法），对模型进行四面体非结构网格划分。网格划分后进行网格质量检查，动叶片和动叶围带的网格平均质量分别为 0.8 和 0.7，一般合格的网格质量需达到 0.6 以上，此网格划分质量较好，确保划分后的网格能满足计算精度要求（图 4）。2.3设置边界条件由于烟气轮机在实际运转的过程中，高温的烟动叶围带与动叶片碰磨数值研究曾瑜，陈荣（渤海装备兰州石油化工装备公司，甘肃兰州730060）摘要：动叶片与动叶围带均是烟气轮机的重要部件，动叶围带安装定位于动叶片外围，为防止动叶片高速旋转时与动叶围带内侧发生碰磨现象，动叶片顶部需与动叶围带之间预留一定间隙，由于叶顶两侧压力面和吸力面之间存在压差，压力面叶顶处的流体会进入叶顶间隙，形成间隙泄漏流动，间隙值越小则叶顶泄漏流量越低，泄漏流引起的气动损失也随之越少。以某 3000 kW 功率的烟机为例，运用 ANSYS 软件进行数值分析，分别对动叶围带和动叶片进行静力学仿真研究，研究结果表明，温度和转速是产生等效应变的主要因素；通过数值分析得出叶顶间隙最小值为 0.9 mm，该结果为优化烟气轮机结构设计提供理论依据。关键词：动叶片；动叶围带；热分析；结构分析中图分类号：TK14文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.03表 1动叶片叶顶间隙控制范围mm轮盘直径叶顶间隙690/700/8201.82.29602.42.81110/12402.73.113703.64.1图 1动叶片模型图 2剖分后的周期性模型7设备管理与维修2023 2（上）图 4网格质量检查气会直接与动叶片、动叶围带进行热交换，而在轮盘前后两端中心处均设有冷却蒸汽，对轮盘表面进行降温，考虑到综合工况的复杂性，需要对其进行基本的物理假设：动叶片叶身表面温度和动叶围带内表面温度均假设为烟气入口温度594；轮盘中心温度假设为冷却蒸汽温度 250；热传递过程中无对流换热而仅靠热传导进行换热；不考虑壳体和进气锥产生的热应变效应。（1）动叶片边界条件。动叶片和轮盘材料均为 GH864，动叶围带的材料为 06Cr19Ni10，2 种材料的泊松比均为 0.31；在600 时，材料其余各项属性见表 24。计算求解前，先将轮盘和动叶片模型剖分部位施加周期性对称边界条件，建立沿着圆周的柱坐标系，对配合面进行周期性约束，对轮盘施加轴向的固定约束并设定工况转速为 6915 r/min，对动叶片和轮盘榫槽建立 6 对接触对，并将接触设置为绑定接触（图 5）。（2）动叶围带边界条件。由于动叶围带利用止口与壳体定位，并在止口处用六角头螺栓紧固，则需对动叶围带止口设置固定约束（图 6）。3数值求解3.1动叶片静力学分析（1）结构分析。图 7 为动叶片结构应变分布云图，该应变是仅在工况转速下，由离心力产生的应变，应变值从叶根到叶顶逐渐升高，应变最高值为 0.2 mm，位于叶顶出气边的叶梢处。（2）热分析。图 8a）为动叶片温度分布云图，由于仿真分析的假设前提，温度最高区域为叶身和叶根端面处区域，最高温度为 594，由于导热作用，热量会随着时间逐渐向叶根中心传热，所以叶根中心处的温度最低。图 8b）为轮盘温度分布云图，由于仿真分析的假设前提，温度最高区域为轮盘槽两个端面处区域，最大温度为 594，由于两侧低温蒸汽的导热作用，叶根的热量会随着时间逐渐向轮盘中心传热，温度梯度由中心向外逐渐升高。综合得出，热量在热传导作用下并没有影响动叶片叶顶的温度，叶顶部位的温度始终为 594。（3）热结构耦合分析。通过热分析掌握了叶片在工况下的传热过程及结果，又通过结构分析得出了仅在结构载荷下的应力分布，现将热分析的结果加载到结构分析中，进一步研究热结构耦合分析。图 9 为动叶片与轮盘装配后的等效应变分布云图，在耦合作用下动叶片出气边叶顶处的应变值最大，最大值为 0.9 mm，该值仅在结构应力下增加了0.7 mm。得出热载荷因素在应变中起到了主要作用。3.2动叶围带静力学分析（1）热分析。图 10 为动叶围带温度分布云图，由于动叶围带属于薄壁件，热传导系数较高且无冷却图 3动叶围带模型表 2材料属性材料材料密度/（kg/m3）导热系数/（W/m K）弹性模量/GPaGH86482203818506Cr19Ni10793023155图 5动叶片约束设置图 6动叶围带约束设置图 7动叶片结构应变分布云图图 8温度分布云图图 9热结构耦合等效应变分布云图8设备管理与维修2023 2（上）系统装置，所以在稳态工况下，整体温度为稳定均布的 594。（2）热应变分析。图 11 为动叶围带等效应变分布云图，由于带止口部位和壳体端面紧固相连，所以此处几乎没有应变量。从图 12 可看出动叶围带受热后内径和外径尺寸均有所增大，整体变形呈喇叭口状，且应变量由出气口向进气口方向逐渐增加，得出壁面最小的变形量为 0.3 mm，而在进气口的端部应变量达到最大值 1.2 mm。为更进一步确定动叶围带壁面变形的方向，采用了 X 轴方向的定向变形观测结果，如图 13 所示，从图中可得出，动叶围带壁面整体呈向外扩张趋势，最大扩张量为 0.9 mm，但在靠近出气端部分区域呈向内收缩趋势，收缩量为 0.3 mm。3.3设计值求解综上所述，可计算出动叶片叶顶产生的最小间隙值应为动叶片叶顶的最大应变量 0.9 mm 与动叶围带内侧最小应变量0.3 之和，即 1.2 mm。所需动叶围带与进气锥的最小间隙为动叶围带进气端端面最大的应变量，即 1.2 mm。动叶围带的设计间隙如图 14 所示，动叶围带与进气锥端面的设计间隙值为 2 mm，比应变值大 0.8 mm；动叶叶顶间隙的设计值为 2.1 mm，比应变值大 0.9 mm，考虑设计安全系数的情况下，选用 2.1 mm 为叶顶间隙值较为合理。4结语分析结果表明，考虑结构载荷和热载荷的边界条件下，动叶围带与动叶片叶顶的最小间隙值为 0.9 mm，动叶围带与进气锥的最小间隙值为 0.8 mm，该间隙值完全满足设备安全运行的要求，实际设计中可根据侧重提升气动性能或设备安全性能，再适当改变叶顶间隙。由此可知，在烟气轮机结构设计中，采用数值分析的方法计算动叶片和动叶围带的最大应变量并核算间隙值显得尤为重要，通过理论计算值为结构设计提供可靠依据，可确保烟气轮机在安全运行的前提下最大程度地减少气动损失。基金项目：甘肃省科技资助项目（1206GTGA014）。参考文献1 Denton J D.The 1993 IGTI Scholar Lecture Loss Mechanism inTurbomachines J.ASME Journal of Turbomachinery，1993，115（4）：621-656.2侯宽新.涡轮叶尖间隙泄漏流动控制研究进展 J.飞航导弹，2014（1）：85-90.3吕强，李军，李国君，等.动叶围带顶部泄漏流动对透平级气动性能影响的数值研究 J.工程热物理学报，2007，28（2）：85-88.4任琪琛.烟气轮机动叶片冲蚀磨损的数值模拟 D.兰州：兰州理工大学，2016.编辑石跋序图 10动叶围带温度分布云图图 11动叶围带等效应变分布云图图 12动叶围带等效应变趋势截面放大图图 13动叶围带 X 轴方向的定向变形图图 14动叶围带装配图9