汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

主要汽油公司為雙吸式離心。該泵是汽輪機(jī)油系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一,主油泵運(yùn)行正常與否將直接影響機(jī)組的安全可靠性。葉輪是主油泵內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件,其工作特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高,達(dá)到3000r/min以上,工作壓力等級(jí)高,高達(dá)1.8MPa,因此該葉輪是主油泵結(jié)構(gòu)分析中的重點(diǎn)。本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)主油泵葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析,通過這一分析可以掌握葉輪部件的應(yīng)力、變形等力學(xué)特性,并為以后的模態(tài)分析和瞬態(tài)分析打下良好的基礎(chǔ)。1葉片靜力學(xué)分析及計(jì)算過程1.1葉輪網(wǎng)格劃分由于離心泵葉輪具有復(fù)雜的空間幾何形狀,其葉面是由多個(gè)復(fù)雜的雕塑曲面組成,因此在三維CAD軟件UG中建立起了它的實(shí)體模型。然后將葉輪實(shí)體模型存儲(chǔ)為Parasolid格式的文件,ANSYS有Parasolid格式文件的接口,導(dǎo)入該文件并顯示葉輪的實(shí)體模型(如圖1所示)。在ANSYS中檢查葉輪實(shí)體模型并確認(rèn)無誤,然后設(shè)置葉輪的材料屬性(如表1所示)。接下來選擇單元類型,由于ANSYS是通用有限元軟件,可以進(jìn)行多種類型的分析,針對(duì)不同的分析類型它提供了二百多種單元類型。本文是對(duì)葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析,需要選擇與結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的單元類型。首先葉輪體上承受慣性載荷,這樣就需要應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析中的體單元,同時(shí)由于葉輪體形狀復(fù)雜,難以用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行離散,因此我們選擇與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)的solid187號(hào)單元。該單元為10節(jié)點(diǎn)四面體單元,具有2階精度,適用于空間結(jié)構(gòu)的彈性、塑性、超彈性、蠕變等結(jié)構(gòu)分析。然后葉輪表面還要承載油壓力,以及鍵槽表面要承受方鍵的壓力,這些載荷都可以選用surf154號(hào)單元來加載。該單元為空間結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)單元,適用于三維表面變載荷或表面效應(yīng)的加載分析,并且該單元可以與solid187號(hào)單元相適應(yīng)產(chǎn)生三角形的表面單元。在選擇好單元后,就要用相應(yīng)的單元對(duì)葉輪劃分網(wǎng)格,ANSYS提供了自由網(wǎng)格與映射網(wǎng)格的劃分方式。由于葉輪形狀較復(fù)雜,難以使用映射網(wǎng)格劃分該幾何體,所以我們選擇使用自由網(wǎng)格劃分方式。另外,ANSYS還提供了智能網(wǎng)格劃分功能,智能網(wǎng)格劃分功能是一種比較高效的自由網(wǎng)格劃分方法,它考慮幾何圖形的曲率以及線與線的接近程度自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共分為10個(gè)級(jí)別,級(jí)別越高劃分的越粗,反之越細(xì)。經(jīng)過多次劃分,在使用6以下級(jí)別劃分葉輪網(wǎng)格時(shí)失敗,所以使用級(jí)別為7智能網(wǎng)格劃分功能對(duì)葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分好網(wǎng)格后的葉輪的單元個(gè)數(shù)為226553個(gè),節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為305704個(gè),葉輪網(wǎng)格如圖2所示。至此完成了葉輪有限元模型的建立。1.2葉輪的壓力狀態(tài)計(jì)算工況。葉輪的設(shè)計(jì)工況為3000r/min,設(shè)計(jì)的最大轉(zhuǎn)速工況為3600r/min。針對(duì)設(shè)計(jì)要求,我們將計(jì)算工況也設(shè)置為3000r/min和3600r/min兩種工況。受力分析。葉輪工作時(shí)是由主軸驅(qū)動(dòng)做高速旋轉(zhuǎn),主軸通過方鍵將扭矩傳遞給葉輪,因此葉輪的鍵槽表面要承受的由主軸傳來的扭矩。同時(shí)在泵腔內(nèi)充滿了透平油,由葉輪旋轉(zhuǎn)將油泵到油道中,因此葉輪的葉面上還要承受很大的油的壓力。此外由于葉輪的轉(zhuǎn)速極高,因此在葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)還要產(chǎn)生極大的慣性力。還有葉輪自身的重力,但由于葉輪的轉(zhuǎn)速高,慣性大,而且葉面承受的油壓也較大,所以與上述兩種力相比葉輪自身的重力可以被忽略不計(jì)。施加載荷。首先我們分析葉輪在空氣中旋轉(zhuǎn)時(shí)的情況,這時(shí)只在葉輪上加載由其自身旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性力,此時(shí)只用187號(hào)單元即可。由于葉輪并非完全對(duì)稱,因此需要在輪轂內(nèi)的四個(gè)鍵槽底面上均勻選取8個(gè)節(jié)點(diǎn),在這些節(jié)點(diǎn)上施加周向和軸向位移約束。這樣才能平衡由于葉輪的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的軸向位移,并得到完全的約束方程使得計(jì)算收斂,同時(shí)還不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性。其次我們分析葉輪在正常工作時(shí)的情況,這時(shí)除了加載上面所有的載荷和約束外,還要在葉片表面加載油壓力,壓力數(shù)據(jù)由FLUENT中提取并讀入ANSYS中,加載壓力載荷后的葉片表面單元如圖3和圖4所示。另外在鍵槽向著旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)的表面上要加載由驅(qū)動(dòng)軸傳來的壓力,這時(shí)除了用187號(hào)單元外還需要使用154號(hào)單元來加載上面的兩種壓力載荷。通過有無油壓兩種載荷狀態(tài)的計(jì)算,可以分析比較得出油壓力和鍵槽受力對(duì)葉輪的應(yīng)力及變形的影響。求解計(jì)算。進(jìn)入ANSYS求解器,設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)分析,求解器類型為PCG,其他均取默認(rèn)值,分別對(duì)4種載荷情況進(jìn)行求解計(jì)算。1.3結(jié)構(gòu)分析方法計(jì)算完成后,進(jìn)入ANSYS的后處理器post1,在這里ANSYS提供了關(guān)于結(jié)構(gòu)分析的多種計(jì)算結(jié)果,而且既能用云圖表示也可進(jìn)行數(shù)據(jù)列表,讀取葉輪的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)結(jié)果,提取各工況下的應(yīng)力和變形圖(如圖5-圖12所示)。1.4葉輪應(yīng)力及變形的特性首先對(duì)比兩種轉(zhuǎn)速工況下的應(yīng)力及變形。由圖5-12看出葉輪在3600r/min時(shí)的應(yīng)力及變形均大于3000r/min時(shí)的應(yīng)力及變形,且最大應(yīng)力及變形出現(xiàn)的部位沒有發(fā)生改變?？梢苑治龅贸?這是由于葉輪在3600r/min時(shí)的慣性力大于3000r/min時(shí)的慣性力,由于慣性力的作用使葉輪在3600r/min時(shí)各處的應(yīng)力及變形大于在3000r/min時(shí)的應(yīng)力及變形。其次對(duì)比在加載油壓前和加載油壓后的應(yīng)力及變形情況。由圖5-12可以看出在加載油壓后,葉輪大部分區(qū)域的應(yīng)力及變形小于加載油壓前的應(yīng)力及變形,只是在葉片頭部等少數(shù)地方有加載油壓后的應(yīng)力及變形大于加載前的應(yīng)力及變形。這種情況的出現(xiàn)是由于作用在葉輪的慣性力的方向是沿徑向向外、沿周向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同;而作用在葉片壓力面的壓力大于吸力面的壓力(壓力的方向都是沿法向指向葉面),其合力是沿徑向向內(nèi)、沿周向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反,由此產(chǎn)生了與慣性力矩相反的力矩,所以葉輪大部分區(qū)域在加載油壓后的應(yīng)力及變形小于加載油壓前的應(yīng)力及變形。但在葉片頭部的油壓是沿徑向向外,與離心力的方向相同,因此這里的應(yīng)力及變形與加載油壓前的比會(huì)變大。主油泵主要工作在3000r/min的工況下。從計(jì)算結(jié)果看,葉輪在3600r/min(超速120%)有油壓的計(jì)算工況下的最大等效應(yīng)力為76.3MPa,是葉輪實(shí)際工作時(shí)的最大等效應(yīng)力,葉輪所用材料的屈服強(qiáng)度為120MPa?？捎?jì)算出安全系數(shù)為1.57,符合強(qiáng)度要求。另外,應(yīng)力集中點(diǎn)都發(fā)生在葉片頭部與內(nèi)蓋板交接處和內(nèi)蓋板外緣與葉片交接處,這些地方都有較尖銳的交接角,易產(chǎn)生應(yīng)力集中,因此在將來進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)應(yīng)首先考慮對(duì)這些地方進(jìn)行改進(jìn)。2微織構(gòu)葉輪強(qiáng)度的測(cè)量與傳統(tǒng)方法相比,用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析有很多優(yōu)點(diǎn)。用傳統(tǒng)方法對(duì)葉輪這樣具有復(fù)雜形狀的部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí),只能采用簡(jiǎn)化和近似的方法,尤其是對(duì)如葉片頭部和蓋板交接處這樣的細(xì)微部分是很難進(jìn)行精確計(jì)算的。另外,由于作用在葉輪上的油的壓