表面積灰對TRT葉片力學性能影響分析

史衛朝，李德信，張立新

（西安理工大學，西安 710082）

0 引言

高爐煤氣余壓發電裝置（TRT）是一種二次能源回收裝置，主要利用高爐冶煉的煤氣余熱進行發電。作為TRT裝置的核心部件，葉片承擔著將流體動能轉化為機械能的任務[1]，但由于煤氣中大量粉塵雜質長期堆積在葉片上，導致葉片的剛度及質量發生變化，葉片運轉過程中容易產生振動現象，嚴重影響整個裝置的正常工作，如圖1所示。為了避免振動現象，延長TRT裝置的使用壽命，項目組結合國內外研究成果[2]，分析了葉片在不同積灰厚度下的力學性能，為解決葉片因積灰產生損壞等問題提供了參考依據。

圖1 積灰的TRT葉片

1 TRT積灰葉片結構

項目組根據TRT生產企業提供的數據，確定葉片為扭曲變截面，由出氣邊、進氣邊、葉型、葉根等組成，選用2Cr13材質，總高度358mm，葉型高260mm，葉根采用兩級榫齒菱形結構，高度為98mm。根據企業的資料得知[3]，積灰層主要分布在葉型與葉根連接區域，約為葉型高度的三分之一。由于積灰粘度比較高，能與葉片牢固地粘結在一起，故可將積灰層與葉片作為整體進行分析，圖2為TRT積灰葉片結構示意圖。

圖2 積灰的TRT葉片結構示意圖

2 建立TRT積灰葉片的有限元模型

TRT積灰葉片的有限元模型是分析積灰對葉片力學性能影響的關鍵，直接決定分析結果的準確性。項目組利用CATIA軟件建立了積灰葉片的幾何模型，由于葉根榫齒處的棱邊存在尖邊過度，計算時容易出現應力集中現象，需進行圓角處理，如圖3所示。將IGES格式的葉片模型導入到Hypermesh軟件后，發現葉片模型存在自由邊等缺陷，嚴重影響計算精度，因此需要對模型進行清除修復，如圖4所示。

圖3 葉根的處理

圖4 葉片的清理

根據相關資料得知[4]，TRT葉片材料為2Cr13，屈服強度σs=450MPa，抗拉強度σb=660MPa，彈性模量E=2.09×105MPa，泊松比μ=0.3。此外，積灰的主要成分是氨鹽和灰塵的混合物，其材料性能參數如表1所示。

表1 積灰的材料性能參數

網格劃分直接影響有限元計算結果，是有限元分析的重要環節之一。綜合各種因素考慮，項目組確定采用Solid l87四面體單元對TRT積灰葉片進行網格劃分，由于積灰層厚度不同，網格劃分的單元數目不同，以積灰厚度為5mm的葉片為例，共劃分了256743個單元，116402個節點，如圖5所示。

圖5 葉片有限元模型

根據葉片在轉子上的安裝情況，如圖6所示，葉根兩個周向面限制了葉片X、Y方向的平動自由度，榫齒槽的接觸面限制了Z方向平動自由度，故項目組對葉根的X、Y、Z方向進行了位移全約束，如圖7所示。

圖6 葉片安裝示意圖

圖7 葉片邊界約束

TRT葉片正常工作時，主要承受葉片自身高速旋轉產生的離心力和氣流的作用力，葉片離心力可依據葉片穩態工作轉速n=3000rp/min進行定義，氣流力可根據經驗將0.085MPa、0.07MPa的作用力分別施加在葉背和葉盆上[5]。

3 TRT積灰葉片的力學分析

3.1 靜態力學分析

靜態力學分析時，項目組采用ANSYS默認求解器對積灰厚度從1mm～5mm的葉片進行了應力、位移分析。計算時，對整個積灰葉片施加了角速度為314rad/s的離心力，加載0.085MPa穩態均布載荷在葉背上，加載0.07MPa均布載荷在葉盆上。

由于篇幅有限，本文只列出了積灰層厚度為1mm和5mm的應力云圖，如圖8所示。

圖8 葉片在不同積灰厚度下的應力云圖

從圖8中可以看出，積灰層厚度為1mm、2mm、3mm、4mm和5mm時，葉片應力分布沒有較大變化，應力主要集中在葉根四個榫齒的圓弧過渡區域和葉型與葉根交界處，其他部位應力相對較小，這主要是由于離心力從葉片頂部到葉根逐漸增加所導致。積灰厚度為1mm時，最大應力為284Mpa；積灰厚度為5mm時，最大應力為316Mpa。可以看出，隨著積灰層厚度的增加，葉片質量發生了變化，葉片應力也隨之增加，但應力分布規律沒有較大變化。

表2為TRT積灰葉片各向應力分布值，從表中可以看出，Z方向的壓應力最大，Y向次之，X向最小。計算出來的數值并不能完全代表實際應力數值，但是可以用來描述應力的大致變化趨勢。當積灰厚度為3mm時，根據材料許用應力公式：

表2 葉片在不同積灰厚度下各向應力值 （單位：MPa）

可以發現，葉片的最大應力已經大于材料的許用應力，葉片會因強度不足而產生破壞。隨著積灰厚度的增加，葉片的疲勞破壞更為嚴重，因此企業應及時清理TRT裝置內的積灰，保證積灰厚度不超過3mm，避免造成葉片損壞。

圖9 葉片應力隨積灰厚度的變化規律

由于葉片應力分布規律未隨著積灰厚度的增加而發生較大變化，因此本文列出了積灰厚度為1mm和5mm兩種情況下的位移變化圖，圖10為積灰葉片位移云圖。

圖10 不同積灰厚度的葉片位移云圖

從圖10中可以看到，最大位移出現在葉片進氣邊的頂端，并沿著葉型斜下方向逐漸減小，葉片底部的位移值最小，這是由于葉片底部較厚，增強了應變能力。另外，隨著積灰厚度從1mm增加到5mm，位移值卻從0.274154mm減小到0.259602mm，這主要是由于積灰粘結在葉片上，增強了葉片剛度，造成位移值減少。

3.2 動態力學分析

TRT葉片的動應力是隨著時間變化，葉片在氣流激振力作用下產生的交變振動應力。隨著振動次數的增加，當葉片某處的動應力達到一定值后，葉片將產生疲勞斷裂。

葉片阻尼類型主要是材料2Cr13的阻尼，項目組用恒定阻尼比來處理材料阻尼，恒定阻尼比和對數衰減率有式(2)表達的關系，其中對數衰減率為0.0076：

根據振動理論，激振力的大小直接影響動應力的大小。而葉片的激振力主要源于氣流參數沿著圓周方向的變化和波動，作用在葉片上的氣流力可以表示成：

k為激振力階次；

Pk為第K階激振力幅值；

P總為葉片氣流力差，在ANSYS中進行瞬態動力分析時，可加載通過上述公式計算的動載荷表。

3.2.1 模態分析

為了便于分析，項目組提取了TRT積灰葉片穩態工作狀況下的前6階頻率及振型進行分析，如表3所示。

從表3中可以得知，隨著積灰厚度不斷增加，葉片固有頻率不斷減小，這主要是由于積灰增加了葉片質量，導致葉片固有頻率降低。從振動類型上看，積灰葉片的振動主要為彎曲振動、扭轉振動和復合振動。

表3 TRT積灰葉片前六階頻率及振型 （單位：Hz）

3.2.2 瞬態動力學分析

分析葉片瞬態動應力對研究葉片振動及疲勞斷裂有著重要意義，項目組提取了TRT葉片在不同積灰狀態下的前220個載荷步，表4為不同積灰情況下葉片最大應力值。

從表4可知，葉片的最大動應力為30.184Mpa，出現在積灰厚度為4mm的狀態下，這是由于積灰厚度造成葉片的頻率接近激振頻率，導致葉片動應力的增大，容易產生共振造成葉片斷裂，應避免葉片在此積灰厚度下長期運行，此刻的等效應力云圖如圖11所示。

表4 不同積灰情況下葉片的最大動應力

從圖11可知，TRT積灰葉片的最大動應力主要集中在葉型中部及葉型與葉根交界處，其余部位應力值較低，與靜應力相比，對葉片的影響較小，但結合前面的靜應力分析結果，此處容易發生斷裂事故。

圖11 最大應力時刻等效應力云圖

4 結束語

本文通過ANAYS軟件對積灰的TRT葉片進行了靜態和動態力學分析，獲得了葉片的應力、位移分布規律及固有頻率。經過對分析結果總結，可以得到以下結論：

1）TRT積灰葉片在離心力及穩態氣流力作用下，應力在葉根榫齒的圓弧過渡區出現了集中現象。

2）隨著積灰層厚度增加，TRT葉片的應力也隨著增大，但應變位移值卻減少，這主要是由于積灰增加了葉片的質量和剛度。

3）對TRT積灰葉片進行瞬態動應力分析后，可以發現TRT積灰葉片的最大動應力主要集中在葉型中部及葉型與葉根交界處。

4）為避免葉片產生疲勞斷裂，應保證積灰厚度不能達到3mm及以上，因此企業生產時應及時對TRT裝置中的積灰進行清除處理。

模擬分析方法符合力學分析要求，分析結果和方法為今后解決葉片積灰問題提供了參考依據。

[1] 王海濤,高華東,張殿印.高爐煤氣干法除塵技術的發展[J].中國環保產業,2011,(8)：38-40.

[2] 朱寶田,吳厚鈺.汽輪機葉片動應力計算方法的研究[J].西安交通大學學報,2000,1(34)：26-29.

[3] 謝永慧,孟慶集.汽輪機葉片三維有限元模型的建立及靜態與動態應力分析[J].熱力透平,2003,(1)：56-61.

[4] 白靜.表面積灰的TRT葉片有限元分析模型建立[J].新技術新工藝,2014,(7)：87-89.

[5] 李德信,秦山峰.高爐煤氣余壓透平葉片阻尼結構及減振研究[J].機械科學與技術,2011,30(12)：45-48.