TRT透平葉片振動特性的有限元分析

黃 勇

（西安航空學院 黨委（學院）辦公室，陜西 西安 710077）

1 概述

透平葉片是TRT機組（TRT，Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit）中進行能量再利用的關鍵部件，在工作過程中主要受離心力、穩態氣流力以及非穩態氣流力的共同作用，極易產生共振，從而造成葉片斷裂。

1.1 TRT葉片的結構

本文所研究的TRT葉片模型如圖1所示，其結構主要包括葉型和葉根兩個部分。

圖1 TRT葉片模型

葉型采用扭轉變截面結構，高度為230mm；葉根為菱形結構，高度為80mm。葉根周向兩側是長為130mm、寬為80mm的平面，軸向兩側為2級榫齒槽曲面。周向面與榫齒槽曲面的過渡曲面半徑為3mm。

1.2 TRT葉片材料參數

根據參考資料，TRT葉片材料成分為2Cr13；密度ρ＝7.75×103kg／m3；彈性模量 E＝2.1×105MPa；泊松比μ＝0.3。

2 TRT葉片的有限元分析

有限元法是將實體模型離散化近似求解連續場問題的數值方法。

對于本文所要研究的TRT葉片，首先利用Solidworks建立三維實體模型，然后通過 Hypermesh進行網格劃分、邊界設置、求解控制等操作，最后再導入Ansys中進行求解計算。

2.1 確定載荷

TRT葉片以3000r／min的轉速工作時整體要承受離心載荷，葉盆和葉背分別承受0.076Mpa和0.088Mpa的穩態均布載荷。為簡化計算，這里將其動態載荷按正弦簡諧激勵處理：

式（1）中，P0＝（0.088－0.076）×0.3MPa，w＝2πf，f為TRT葉片的低階靜頻。

2.2 TRT葉片靜特性分析

TRT葉片在穩態載荷作用下，其應力分布和位移云圖分別如圖2～圖3所示。

圖2 整個葉片應力云圖

圖3 整個葉片位移云圖

可以看出 整個TRT葉片的最大應力位于出氣邊葉根的榫齒槽，最大位移量出現在葉片進氣邊的頂部。

2.3 TRT葉片動態特性分析

動特性分析包括模態分析、瞬態動力學分析，相應地可分別得出各階頻率和振型。

2.3.1 模態分析

（1）TRT葉片的靜頻及振型。靜頻是指葉片在靜止狀態下的固有頻率。經計算，該葉片前六階靜頻及其對應的振型如表1所示。

表1 TRT葉片的固有頻率（單位：Hz）

（2）TRT葉片的動頻。葉片在工作時的響應頻率稱為動頻，動頻對葉片的振動影響較大。經分析計算，提取出該TRT葉片前六階的動頻如表2所示。

表2 TRT葉片的動頻（單位：Hz）

2.3.2 瞬態分析

瞬態分析是用于確定TRT葉片在隨時間變化的動載荷作用下，在整個時間變化域內的應力應變等情況。

（1）TRT葉片的動應力分析。經分析計算，TRT葉片在t＝0.0352633s時，第21載荷子步的動應力在整個時間變化域內數值最大，具體動應力分布情況如圖4所示。

（2）TRT葉片的位移分析。在t＝0.0352633s時刻，整個葉片的位移分布如圖5所示，可以看出，最大位移產生在進氣邊靠葉頂處。

3 結論

通過分析，非常直觀地觀察到TRT葉片在工作過程中其應力分布和位移變化情況，這在實際應用中，為改進TRT葉片的結構設計，改善振動特性，提高機組的安全可靠性等方面提供一些理論上的參考。

圖4 整體動應力云圖

圖5 整體位移分布云圖

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