CN110032814A - 一种汽轮机t型叶根预扭叶片的有限元分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，涉及计算机辅助工程技术领域，为解决现有技术中对于T型叶根预扭叶片的的有限元分析叶片强度、振动频率和叶片预扭特性的需求问题，包括：步骤一：几何模型处理，选取叶片、填隙条及转子的部件制作一个扇区内的几何模型；步骤二：CAE模型处理，对几何模型进行循环对称部分切割后画六面体网格模型，根据需求定义叶片、转子、填隙条的材料、边界和载荷等并提交计算；步骤三：CAE后处理，分析叶片各个工况下静应力，使用频率SAFE图分析叶片频率，分析各个接触面的接触面积与接触应力大小。本发明能有效分析叶片在汽轮机不同运行工况下的静强度，振动特性以及预扭特性，并且能提高30％工作效率。

Description

一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法
技术领域
本发明涉及计算机辅助工程(CAE)技术领域，具体为一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法。
背景技术
叶片是汽轮机的心脏，是极为重要的零件，它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用，叶根是将叶片固定在叶轮或转鼓上的连接部分，它应保证在任何运行条件下的连接牢靠，同时力求制造简单、装配方便。
T型叶根具有结构简单，加工和装配方便等特点，随着汽轮机中T型叶根预扭叶片使用的不断增加，对叶片的有限元分析提出了高效性、经济性、准确统一性等多方面的要求。但是预扭叶片的有限元分析不但要分析叶片强度与振动频率，同时还要考核叶片的预扭特性。
现有技术中仅有对预扭叶片的强度分析方法，但是并没有针对预扭叶片的振动频率和预扭特性的分析方法，这难以满足现今汽轮机领域的需求。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中仅有对预扭叶片强度的分析方法，并没有针对预扭叶片的振动频率和预扭特性的分析方法的从而导致叶片的分析结果与实际存在较大差异的问题，提供一种针对预扭叶片强度、振动频率和预扭特性的分析方法。
本发明采用如下技术方案实现：一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，包括以下步骤：
步骤一：几何模型处理
首先选取单级叶片、单级填隙条以及单级叶片对应的转子的部件几何模型，然后使用三维软件制作一个扇区内的几何模型；
步骤二：CAE模型处理
首先对几何模型进行循环对称部分切割，然后对切割后的模型在网格划分软件中画六面体网格模型，最后在CAE计算软件中根据需求定义叶片、转子、填隙条的材料数据，并定义接触、边界和载荷等设置，随后提交作业并进行计算；
步骤三：CAE后处理
分析叶片各个工况下静应力，得到叶片所受静应力强度，使用频率SAFE图通过危险区域避开率来考核叶片振动特性，分析各个接触面的接触面积与接触应力大小得到预扭结构的预扭特性。
进一步的，所述CAE计算软件为ABAQUE软件。
进一步的，所述三维软件为NX。
进一步的，所述网格划分软件为ANSA或Hypermesh。
进一步的，在所述六面体网格模型中，叶片为整体的六面体网格，填隙条和转子为一体的六面体网格。
进一步的，所述叶片的部分非关心区域用四面体过度。
进一步的，所述的材料数据为叶片、转子、填隙条在不同温度下的密度、线胀系数、弹性模量、导热系数、比热等材料属性。
本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：本发明对汽轮机T型叶根预扭叶片的计算进行了标准化和规范化，通过分析叶片各个工况下静应力，考核叶片所受静应力强度。使用频率SAFE图分析叶片频率来考核叶片振动特性，通过分析各个接触面的接触面积与接触应力大小来分析预扭结构的预扭特性，本发明能有效分析叶片在汽轮机不同运行工况下的静强度，振动特性以及预扭特性，并且能提高30％工作效率。
附图说明
图1为一个扇区内单级预扭叶片几何模型示意图。
图2为本发明单级叶片对应转子选取方案图。
图3为叶片CAE模型设置过程中定义接触面的CON_BLA_3的示意图。
图4为叶片CAE模型设置过程中定义接触面的CON_BLA_3-1的示意图。
图5为CAE模型设置过程中定义节点集axis示意图。
图6为CAE模型设置过程中定义节点集BC_ROT_US_A示意图。
图7为CAE模型设置过程中定义节点集BC_ROT_DS_A示意图。
图8为CAE模型设置过程中定义节点集BC_ROT_DS_1示意图。
图9为CAE模型设置过程中定义节点集BC_ROT_DS_1示意图。
图10为叶片各个工况下静应力示意图1。
图11为叶片各个工况下静应力示意图2。
图12为叶片各个工况下静应力示意图3。
图13为叶片各个工况下静应力示意图4。
图14为各个接触面的接触面积与接触应力大小示意图1。
图15为各个接触面的接触面积与接触应力大小示意图2。
图16为CON_BLA_1接触面定义图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，在本实施方式中，一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，包括以下步骤：
步骤一：几何模型处理
首先选取单级叶片、单级填隙条以及单级叶片对应的转子的部件几何模型，然后使用三维软件制作一个扇区内的几何模型；
步骤二：CAE模型处理
首先对几何模型进行循环对称部分切割，然后对切割后的模型在网格划分软件中画六面体网格模型，最后在CAE计算软件中根据需求定义叶片、转子、填隙条的材料数据，并定义接触、边界和载荷等设置，随后提交作业并进行计算；
步骤三：CAE后处理
分析叶片各个工况下静应力，得到叶片所受静应力强度，使用频率SAFE图通过危险区域避开率来考核叶片振动特性，分析各个接触面的接触面积与接触应力大小得到预扭结构的预扭特性。
实施例：
本发明可以分为如下三个部分：几何模型处理、CAE模型处理和CAE后处理来具体实施。
1、几何模型处理
参见图1，几何模型主要包括选择单级叶片1，单级填隙条2，以及单级叶片对应转子3的选取。本发明使用循环对称模型来计算整圈叶片，根据选择使用三维软件(NX等)制作一个扇区内的几何模型。
选择转子部分的方案如图2所示，如果是计算中间级就选取图中的1-1和2-1两个边界进行截取创建几何模型。如果是首、末级叶片，其中一条截取边界为边界1-1，另一端截取则一定选择边界3-1/4-1/5-1/6-1。
2、CAE模型处理
CAE模型处理主要包括网格划分，以及在软件ABAQUS中的根据需求定义叶片、转子、填隙条的材料数据，定义接触、边界和载荷等设置。
本发明中用的循环对称模型首先要对实体进行切割，然后对切割后模型在网格划分软件(如ANSA、Hypermesh等)或者其他自动划分网格平台画六面体网格。对网格要求为：叶片为整体的六面体网格，部分非关心区域可以用四面体过度，填隙条和转子部分为一体的六面体网格。
本发明中制定了接触、载荷、场、边界等条件设置的标准方法，通过ABAQUS的Standard模型进行计算。
本发明定位为弹性计算，所以在ABAQUS中分别定义叶片、填隙条以及转子材料在不同温度下的密度、线胀系数、弹性模量、导热系数、比热等材料属性。
在ABAQUS中定义接触、载荷、场、边界等，要根据如下标准定义有限元模型中的节点集、单元集以及表面。
单元Element定义：
EBLADE-叶片所有单元；
EROTOR-转子所有单元；
EALL-结构所有单元。
节点Node集定义：
NBLADE NROTOR NALL含义与单元定义所对应，
CON_SHI_2-填隙条与叶根槽接触部分定义点集
CYC_SYM_SLAVE-循环对称面从面点集定义
接触面定义：
CON_ROT_1,CON_ROT_2,CON_ROT_3,CON_ROT_4,CON_ROT_5,CON_ROT_1-1,CON_ROT_2-1,CON_ROT_3-1,CON_ROT_4-1-转子轮槽与叶片叶根接触面。
CON_BLA_1,CON_BLA_2,CON_BLA_3,CON_BLA_4,CON_BLA_5,CON_BLA_1-1,CON_BLA_2-1,CON_BLA_3-1,CON_BLA_4-1-叶片叶根与轮槽接触面。
CON_BLA_5是叶片下表面与填隙条接触的转子部分的表面，定义分别与叶片各表面相对应，每一个接触面如CON_BLA_1，因为循环对称被切开,要分别定义成CON_BLA_1和CON_BLA_1-1，参考图3和图14，图16中附图标记7为CON_BLA_1,附图标记8为CON_BLA_2，附图标记9为CON_BLA_3，附图标记10为CON_BLA_4。
CON_SHR_1,CON_SHR_2-围带接触对接触面；
CON_BLRO_1，CON_BLRO_2-叶根接触对接触面；
CON_SHI_1-填隙条接触面(填隙条与叶根接触的面)；
CYC_SYM_MASTER-循环对称面主面；
BLA_PRES_CFD-施加蒸汽力的表面。
参考图5至图9,为了优化预扭叶片的有限元计算方法，定义约束边界需要根据标准分别定义如下节点集：
Axis-转子中心处节点集；
BC_ROT_US_A-转子进气侧节点集；
BC_ROT_DS_1和BC_ROT_DS_A-转子出气侧节点集。
根据上述定义，在汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元计算方法中规定了模型在ABAQUS中的接触、载荷、场、边界约束设置。具体如下表1所示，提交作业并进行计算。
表1：有限元模型接触、载荷、场、边界设置
3、CAE后处理
通过分析叶片各个工况下静应力示意图如图10至图13所示，根据具体静应力考核标准考核叶片所受静应力强度。
使用频率SAFE图，通过危险区域避开率来考核叶片振动特性。
通过分析各个接触面的接触面积与接触应力大小如图14和图15所示，根据预扭标准来考核预扭叶片的预扭特性。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：几何模型处理
首先选取单级叶片、单级填隙条以及单级叶片对应的转子的部件几何模型，然后使用三维软件制作一个扇区内的几何模型；
步骤二：CAE模型处理
首先对几何模型进行循环对称部分切割，然后对切割后的模型在网格划分软件中画六面体网格模型，最后在CAE计算软件中根据需求定义叶片、转子、填隙条的材料数据，并定义接触、边界和载荷等设置，随后提交作业并进行计算；
步骤三：CAE后处理
分析叶片各个工况下静应力，得到叶片所受静应力强度，使用频率SAFE图通过危险区域避开率来考核叶片振动特性，分析各个接触面的接触面积与接触应力大小得到预扭结构的预扭特性。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，其特征在于：所述CAE计算软件为ABAQUE软件。
3.根据权利要求1所述的一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，其特征在于：所述三维软件为NX。
4.根据权利要求1所述的一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，其特征在于：所述网格划分软件为ANSA或Hypermesh。
5.根据权利要求1所述的一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，其特征在于：在所述六面体网格模型中，叶片为整体的六面体网格，填隙条和转子为一体的六面体网格。
6.根据权利要求5所述的一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，其特征在于：所述叶片的部分非关心区域用四面体过度。
7.根据权利要求1所述的一种汽轮机T型叶根预扭叶片的有限元分析方法，其特征在于：所述的材料数据为叶片、转子、填隙条在不同温度下的密度、线胀系数、弹性模量、导热系数、比热等材料属性。
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