表面积灰对TRT叶片力学性能影响分析

史卫朝，李德信，张立新

（西安理工大学，西安 710082）

0 引言

高炉煤气余压发电装置（TRT）是一种二次能源回收装置，主要利用高炉冶炼的煤气余热进行发电。作为TRT装置的核心部件，叶片承担着将流体动能转化为机械能的任务[1]，但由于煤气中大量粉尘杂质长期堆积在叶片上，导致叶片的刚度及质量发生变化，叶片运转过程中容易产生振动现象，严重影响整个装置的正常工作，如图1所示。为了避免振动现象，延长TRT装置的使用寿命，项目组结合国内外研究成果[2]，分析了叶片在不同积灰厚度下的力学性能，为解决叶片因积灰产生损坏等问题提供了参考依据。

图1 积灰的TRT叶片

1 TRT积灰叶片结构

项目组根据TRT生产企业提供的数据，确定叶片为扭曲变截面，由出气边、进气边、叶型、叶根等组成，选用2Cr13材质，总高度358mm，叶型高260mm，叶根采用两级榫齿菱形结构，高度为98mm。根据企业的资料得知[3]，积灰层主要分布在叶型与叶根连接区域，约为叶型高度的三分之一。由于积灰粘度比较高，能与叶片牢固地粘结在一起，故可将积灰层与叶片作为整体进行分析，图2为TRT积灰叶片结构示意图。

图2 积灰的TRT叶片结构示意图

2 建立TRT积灰叶片的有限元模型

TRT积灰叶片的有限元模型是分析积灰对叶片力学性能影响的关键，直接决定分析结果的准确性。项目组利用CATIA软件建立了积灰叶片的几何模型，由于叶根榫齿处的棱边存在尖边过度，计算时容易出现应力集中现象，需进行圆角处理，如图3所示。将IGES格式的叶片模型导入到Hypermesh软件后，发现叶片模型存在自由边等缺陷，严重影响计算精度，因此需要对模型进行清除修复，如图4所示。

图3 叶根的处理

图4 叶片的清理

根据相关资料得知[4]，TRT叶片材料为2Cr13，屈服强度σs=450MPa，抗拉强度σb=660MPa，弹性模量E=2.09×105MPa，泊松比μ=0.3。此外，积灰的主要成分是氨盐和灰尘的混合物，其材料性能参数如表1所示。

表1 积灰的材料性能参数

网格划分直接影响有限元计算结果，是有限元分析的重要环节之一。综合各种因素考虑，项目组确定采用Solid l87四面体单元对TRT积灰叶片进行网格划分，由于积灰层厚度不同，网格划分的单元数目不同，以积灰厚度为5mm的叶片为例，共划分了256743个单元，116402个节点，如图5所示。

图5 叶片有限元模型

根据叶片在转子上的安装情况，如图6所示，叶根两个周向面限制了叶片X、Y方向的平动自由度，榫齿槽的接触面限制了Z方向平动自由度，故项目组对叶根的X、Y、Z方向进行了位移全约束，如图7所示。

图6 叶片安装示意图

图7 叶片边界约束

TRT叶片正常工作时，主要承受叶片自身高速旋转产生的离心力和气流的作用力，叶片离心力可依据叶片稳态工作转速n=3000rp/min进行定义，气流力可根据经验将0.085MPa、0.07MPa的作用力分别施加在叶背和叶盆上[5]。

3 TRT积灰叶片的力学分析

3.1 静态力学分析

静态力学分析时，项目组采用ANSYS默认求解器对积灰厚度从1mm～5mm的叶片进行了应力、位移分析。计算时，对整个积灰叶片施加了角速度为314rad/s的离心力，加载0.085MPa稳态均布载荷在叶背上，加载0.07MPa均布载荷在叶盆上。

由于篇幅有限，本文只列出了积灰层厚度为1mm和5mm的应力云图，如图8所示。

图8 叶片在不同积灰厚度下的应力云图

从图8中可以看出，积灰层厚度为1mm、2mm、3mm、4mm和5mm时，叶片应力分布没有较大变化，应力主要集中在叶根四个榫齿的圆弧过渡区域和叶型与叶根交界处，其他部位应力相对较小，这主要是由于离心力从叶片顶部到叶根逐渐增加所导致。积灰厚度为1mm时，最大应力为284Mpa；积灰厚度为5mm时，最大应力为316Mpa。可以看出，随着积灰层厚度的增加，叶片质量发生了变化，叶片应力也随之增加，但应力分布规律没有较大变化。

表2为TRT积灰叶片各向应力分布值，从表中可以看出，Z方向的压应力最大，Y向次之，X向最小。计算出来的数值并不能完全代表实际应力数值，但是可以用来描述应力的大致变化趋势。当积灰厚度为3mm时，根据材料许用应力公式：

表2 叶片在不同积灰厚度下各向应力值 （单位：MPa）

可以发现，叶片的最大应力已经大于材料的许用应力，叶片会因强度不足而产生破坏。随着积灰厚度的增加，叶片的疲劳破坏更为严重，因此企业应及时清理TRT装置内的积灰，保证积灰厚度不超过3mm，避免造成叶片损坏。

图9 叶片应力随积灰厚度的变化规律

由于叶片应力分布规律未随着积灰厚度的增加而发生较大变化，因此本文列出了积灰厚度为1mm和5mm两种情况下的位移变化图，图10为积灰叶片位移云图。

图10 不同积灰厚度的叶片位移云图

从图10中可以看到，最大位移出现在叶片进气边的顶端，并沿着叶型斜下方向逐渐减小，叶片底部的位移值最小，这是由于叶片底部较厚，增强了应变能力。另外，随着积灰厚度从1mm增加到5mm，位移值却从0.274154mm减小到0.259602mm，这主要是由于积灰粘结在叶片上，增强了叶片刚度，造成位移值减少。

3.2 动态力学分析

TRT叶片的动应力是随着时间变化，叶片在气流激振力作用下产生的交变振动应力。随着振动次数的增加，当叶片某处的动应力达到一定值后，叶片将产生疲劳断裂。

叶片阻尼类型主要是材料2Cr13的阻尼，项目组用恒定阻尼比来处理材料阻尼，恒定阻尼比和对数衰减率有式(2)表达的关系，其中对数衰减率为0.0076：

根据振动理论，激振力的大小直接影响动应力的大小。而叶片的激振力主要源于气流参数沿着圆周方向的变化和波动，作用在叶片上的气流力可以表示成：

k为激振力阶次；

Pk为第K阶激振力幅值；

P总为叶片气流力差，在ANSYS中进行瞬态动力分析时，可加载通过上述公式计算的动载荷表。

3.2.1 模态分析

为了便于分析，项目组提取了TRT积灰叶片稳态工作状况下的前6阶频率及振型进行分析，如表3所示。

从表3中可以得知，随着积灰厚度不断增加，叶片固有频率不断减小，这主要是由于积灰增加了叶片质量，导致叶片固有频率降低。从振动类型上看，积灰叶片的振动主要为弯曲振动、扭转振动和复合振动。

表3 TRT积灰叶片前六阶频率及振型 （单位：Hz）

3.2.2 瞬态动力学分析

分析叶片瞬态动应力对研究叶片振动及疲劳断裂有着重要意义，项目组提取了TRT叶片在不同积灰状态下的前220个载荷步，表4为不同积灰情况下叶片最大应力值。

从表4可知，叶片的最大动应力为30.184Mpa，出现在积灰厚度为4mm的状态下，这是由于积灰厚度造成叶片的频率接近激振频率，导致叶片动应力的增大，容易产生共振造成叶片断裂，应避免叶片在此积灰厚度下长期运行，此刻的等效应力云图如图11所示。

表4 不同积灰情况下叶片的最大动应力

从图11可知，TRT积灰叶片的最大动应力主要集中在叶型中部及叶型与叶根交界处，其余部位应力值较低，与静应力相比，对叶片的影响较小，但结合前面的静应力分析结果，此处容易发生断裂事故。

图11 最大应力时刻等效应力云图

4 结束语

本文通过ANAYS软件对积灰的TRT叶片进行了静态和动态力学分析，获得了叶片的应力、位移分布规律及固有频率。经过对分析结果总结，可以得到以下结论：

1）TRT积灰叶片在离心力及稳态气流力作用下，应力在叶根榫齿的圆弧过渡区出现了集中现象。

2）随着积灰层厚度增加，TRT叶片的应力也随着增大，但应变位移值却减少，这主要是由于积灰增加了叶片的质量和刚度。

3）对TRT积灰叶片进行瞬态动应力分析后，可以发现TRT积灰叶片的最大动应力主要集中在叶型中部及叶型与叶根交界处。

4）为避免叶片产生疲劳断裂，应保证积灰厚度不能达到3mm及以上，因此企业生产时应及时对TRT装置中的积灰进行清除处理。

模拟分析方法符合力学分析要求，分析结果和方法为今后解决叶片积灰问题提供了参考依据。

[1] 王海涛,高华东,张殿印.高炉煤气干法除尘技术的发展[J].中国环保产业,2011,(8)：38-40.

[2] 朱宝田,吴厚钰.汽轮机叶片动应力计算方法的研究[J].西安交通大学学报,2000,1(34)：26-29.

[3] 谢永慧,孟庆集.汽轮机叶片三维有限元模型的建立及静态与动态应力分析[J].热力透平,2003,(1)：56-61.

[4] 白静.表面积灰的TRT叶片有限元分析模型建立[J].新技术新工艺,2014,(7)：87-89.

[5] 李德信,秦山峰.高炉煤气余压透平叶片阻尼结构及减振研究[J].机械科学与技术,2011,30(12)：45-48.