汽轮机零部件强度有限元分析的设计判据

根据多年从事汽轮机零部件的强度有限元分析共性技术的研究成果,提出了汽轮机零部件强度有限元计算结果的9类设计判据,介绍了汽轮机零部件载荷与应力的分类以及有限元分析的设计原则,给出了汽轮机零部件稳态最大负荷工况强度、瞬态变工况强度、转动零部件超速工况强度、蠕变强度与刚度、应力腐蚀强度、高周疲劳强度、轴向动静间隙、裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的设计判据.规定出局部应力的许用范围和设计判据的应用范围.使用这些设计判据,可以在设计阶段校核与分析汽轮机零部件强度和寿命设计的安全性,为汽轮机零部件结构设计的安全性评价和优化改进设计提供了依据.     

基于有限元法的连杆多轴应力研究

在对连杆的疲劳寿命进行预测时,为了能够提供正确的边界条件,以某型柴油机连杆为研究对象,运用有限元分析软件,采用直接积分法对其进行额定工况下三个循环的瞬态计算,最后考察经计算得到的连杆各部位应力状态。结果表明:连杆在工作时,考察部位既有单轴应力载荷,又有多轴应力载荷,同时在多轴载荷中比例载荷与非比例载荷都有出现。该方法对连杆进行寿命分析时提供了重要的参考依据。     

水平轴风力机轮毂强度和疲劳寿命分析方法研究

针对水平轴风力机轮毂复杂的几何外形、载荷与边界条件,研究其强度和疲劳寿命数值分析方法。应用结构分析软件ANSYS并结合疲劳分析软件FE-safe对风力机轮毂进行强度和多轴疲劳寿命分析。研究了风力机轮毂结构强度数值分析中的一些关键技术问题,如网格划分、载荷施加、边界约束条件的处理及分析技巧等;利用叶片根部极限载荷对轮毂进行强度校核,得出轮毂极限载荷下的应力分布。基于风力机叶片根部随机载荷谱和线性累积损伤方法,研究了轮毂多轴疲劳特性及疲劳寿命分析方法;研究了轮毂材料的S-N曲线定义和各工况下随机载荷谱的分析处理方法。算例表明:本文的工作为水平轴风力机轮毂强度、刚度及多轴疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法。     

RESEARCH ON ANALYSIS APPROACH OF STRENGTH AND FATIGUE LIFE OF HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE HUB

针对水平轴风力机轮毂复杂的几何外形、载荷与边界条件,研究其强度和疲劳寿命数值分析方法.应用结构分析软件ANSYS并结合疲劳分析软件FE-safe对风力机轮毂进行强度和多轴疲劳寿命分析.研究了风力机轮毂结构强度数值分析中的一些关键技术问题,如网格划分、载荷施加、边界约束条件的处理及分析技巧等;利用叶片根部极限载荷对轮毂进行强度校核,得出轮毂极限载荷下的应力分布.基于风力机叶片根部随机载荷谱和线性累积损伤方法,研究了轮毂多轴疲劳特性及疲劳寿命分析方法;研究了轮毂材料的S-N曲线定义和各工况下随机载荷谱的分析处理方法.算例表明:本文的工作为水平轴风力机轮毂强度、刚度及多轴疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法.     

柴油机缸盖瞬态响应分析

为了给缸盖的疲劳寿命预测提供准确的边界条件,以某型柴油机缸盖为研究对象,运用ANSYS有限元分析软件,采用直接积分法对其进行了标定工况的瞬态计算,将计算结果与有限元静力学分析结果对比,修正了缸盖的瞬态分析方法。考察瞬态计算得到的应力多轴状态,研究高应力梯度部位多轴应力的变化趋势,结果表明：气缸盖在工作时,结构上的多轴比例载荷与多轴非比例载荷状态共存。     

基于多轴非线性连续损伤模型的汽轮机转子低周疲劳损伤分析

针对当前汽轮机转子低周疲劳损伤分析存在较大误差的问题,引入了非线性连续损伤力学理论,并结合多轴疲劳损伤的临界面原理,建立了多轴非线性连续损伤累积模型.基于该模型,结合某型船用汽轮机转子典型工况下的瞬态温度场和热应力场的弹塑性有限元分析结果,对复杂应力引起的转子低周疲劳损伤进行分析,并与等效应变法的寿命预测模型和线性损伤累积模型进行了比较.结果表明:基于临界面法的非线性连续损伤累积模型,不仅考虑了多轴复杂应力应变的大小、方向和加载的附加强化效应的影响,而且正确地反映了转子低周疲劳损伤的非线性累积过程,其分析结果更接近于工程实际.     

AP1000汽轮机低压转子结构强度优化研究

介绍了某型AP1000核电汽轮机低压转子的强度判据。通过对额定负荷稳态运行工况以及冷态、温态、热态启动和正常停机等瞬态变工况过程的温度场与应力场进行计算,发现了原设计方案存在个别部位不能满足强度判据的缺陷。通过结构改进使得优化的最终设计方案的额定负荷强度、应力腐蚀强度和瞬态变工况强度均符合强度设计判据。转子强度设计合格,将确保汽轮机长周期安全运行。     

660MW超超临界汽轮机高压转子的高温蠕变强度分析

为了研究在高温下某660 MW超超临界汽轮机高压转子的蠕变强度,利用有限元计算方法分析了转子在额定工况下的温度和应力分布,并采用幂率模型和孔洞长大机理预测了该转子在2×105h工作中的蠕变行为,研究结果表明:在额定工况下,转子最高内应力低于屈服极限,处于纯弹性变形状态;转子内大部分区域温度在300～600℃,已进入蠕变温度范围.蠕变与热弹性耦合分析表明:蠕变会引起转子内部应力的重新分布,转子前轴封圆弧段的蠕变应变较高,而且多轴应力对该区域蠕变韧度的影响明显,应当引起足够重视.     

超超临界汽轮机中压转子高温蠕变强度分析

对某超超临界汽轮机组中压转子稳定运行过程中的高温蠕变强度进行了有限元分析,得到了转子在稳定运行工况下的温度场、应力场和应变场,并考虑了多轴效应对蠕变强度的影响,分析了特征点连续蠕变损伤度演化规律.结果表明:多轴效应对蠕变强度有明显的影响;在稳定运行工况下的初期,转子发生了明显的应力重新分配现象;应力重新分配因素对连续蠕变损伤度演化规律有影响.     

基于多体动力学的连杆强度分析

连杆作为发动机最重要的零部件之一,工作过程中受急剧变化的动载荷影响,容易发生断裂失效,必须具有较高的强度和可靠性。采用多体动力学仿真进行边界条件求解,确定连杆的最大压载荷和最大拉载荷,在此基础上进行静强度计算得到三个工况下的应力分布,计算出危险截面的安全系数。分析结果表明连杆在4000 r/min时承受载荷最大,在此工况下应力集中截面为连杆小头与杆身过渡处、连杆大头与杆身过渡处、油孔及小头孔内部下半部分,最大应力值为641Mpa,在材料许用应力范围内。几个危险截面中安全系数最小为1.34,设计安全,并具有一定的强度储备。     

基于不同启动方式的1 000 MW超超临界汽轮机高温部件低周疲劳损耗研究

为了解汽轮机寿命损耗情况,对汽轮机高温部件寿命影响因素进行分析。基于低周疲劳理论,建立汽轮机高温部件寿命损耗分析模型,采用定量计算方法分析1 000 MW超超临界机组冷态、热态启动方式下高温部件温度偏差变化情况,计算各边界条件下高温部件等效热应力及寿命损耗,并进行敏感性分析。结果表明：汽轮机低周疲劳寿命损耗率对高温部件温度偏差较为敏感,随着温度偏差的升高,汽轮机寿命损耗率大幅升高;相同的温度偏差出现在不同温度区间时,对汽轮机寿命损耗的影响亦不同,高温区间的温度偏差对寿命损耗率影响较大。汽轮机高温部件寿命评估可以为机组启动期间升温速度控制提供技术支持,降低汽轮机寿命损耗,提高机组运行安全性。     

复杂阻尼结构汽轮机末级长叶片寿命评估相关研究进展及展望

目前汽轮机叶片设计和安全性考核主要采用的是以许用应力为基准的静强度准则和以安全倍率为基准的动强度准则,随着汽轮机设计制造水平的提高,尤其是近年来在超临界和超超临界大功率汽轮机中广泛采用具有复杂阻尼结构的长叶片,该方法已经表现出越来越多的局限性,建立一套从寿命损耗角度评估叶片安全性的方法十分必要。总结了近年来国内外在叶片寿命评估相关研究如静态应力分析、动态应力分析、叶片高周和低周疲劳寿命分析以及叶片水蚀疲劳分析等4个方面的研究进展,并对进一步深入研究提出了一些思路和方法。     

Structure improvement and strength finite element analysis of VHP welded rotor of 700°C USC steam turbine

The optimized structure strength design and finite element analysis method for very high pressure (VHP) rotors of the 700°C ultra-super-critical (USC) steam turbine are presented. The main parameters of steam and the steam thermal parameters of blade stages of VHP welded rotors as well as the start and shutdown curves of the steam turbine are determined. The structure design feature, the mechanical models and the typical position of stress analysis of the VHP welded rotors are introduced. The steady and transient finite element analysis are implemented for steady condition, start and shutdown process, including steady rated condition, 110% rated speed, 120% rated speed, cold start, warm start, hot start, very hot start, sliding-pressure shutdown, normal shutdown and emergency shutdown, to obtain the temperature and stress distribution as well as the stress ratio of the welded rotor. The strength design criteria and strength analysis results of the welded rotor are given. The results show that the strength design of improved structure of the VHP welded rotor of the 700°C USC steam turbine is safe at the steady condition and during the transient start or shutdown process.     

汽轮机强度研究某些新进展的概述

介绍了汽轮机部件强度和寿命研究的某些新进展 ,综述了近几年来汽轮机部件的静强度和刚度、叶片和叶根的动强度、有限元分析、强度可靠性设计、低周疲劳寿命、蠕变寿命、疲劳和蠕变交互作用下的寿命、安全寿命等方面国内开发的一些新技术手段和取得的新成就。本文还提出了汽轮机部件强度和寿命计算技术的一些发展动向     

汽轮机调节级动叶片强度振动分析和安全评价

汽轮机调节级是汽轮机的重要部件,是关系汽轮机能否安全可靠工作的关键部件。文章对某调节级动叶片进行了强度振动特性常规计算和有限元计算,得出调节级在工作状态下的应力状态以及频率特性,并对调节级动叶片在工作状态下的动应力进行了计算和安全评估。     

电站汽轮机研制与生产的可靠性技术研究

给出了电站汽轮机的10个可靠性特征量的计算公式或术语以及汽轮机强度与振动的17个设计判据。介绍了电站汽轮机关键部件寿命评定技术研究的新进展和汽轮机关键部件寿命设计技术规程。分析了超临界汽轮机、超超临界汽轮机、空冷汽轮机、燃气轮机联合循环汽轮机和核电汽轮机结构可靠性设计的技术特点。介绍了电站汽轮机研制和生产过程的可靠性通用大纲,内容包括可靠性工作的5项总要求和18项详细要求。参14     

涡轮叶片多轴低周疲劳／蠕变寿命研究

本文针对电厂用燃气轮机涡轮叶片工作环境,对Manson—Coffin多轴疲劳预测方程和WWT公式进行修正,同时采用尚德广多轴疲劳损伤参量,给出涡轮叶片新的疲劳寿命预测方法,以适应涡轮叶片高温变幅非比例加载下疲劳损伤情况。通过算例计算了某涡轮叶片疲劳寿命及10000工作小时的总损伤,与叶片实际疲劳破坏相吻合,验证该高温多轴疲劳损伤计算模型的准确性。     

汽轮机转子蒸汽冷却计算模型构建研究

提高初参数是火力发电实现节能与环保两项国策的重要措施。在蒸汽初温提高的条件下,为确保汽轮机部件的强度与寿命,需要在提高材料耐热性的同时采取蒸汽冷却技术,降低转子的温度与热应力。针对工程要求计算方法快捷、精确的特点,本文构造了转子根部冷却的一维参数计算模型,该模型综合考虑了冷却蒸汽对叶片表面的射流冲击冷却以及冷却蒸汽流过转子根部时的热传导冷却。应用该模型计算了超临界机组中压缸第一级转子经冷却后的温度场,并与三维计算结果比较,证明该模型能满足工程要求。     

透平叶片的可靠性安全系数设计法

本文基于目前的蒸汽透平叶片振动强度设计准则,提出了可靠性安全系数设计法。简要介绍了该方法在叶片设计中的应用,并给出了一些计算公式。     

Reliability design method for steam turbine blades

Based on theories of probability and statistics, and taking static stresses, dynamic stresses, endurance strength, safety ratios, vibration frequencies and exciting force frequencies of blades as random variables, a reliability design method for steam turbine blades is presented. The purport and calculation method for blade reliability are expounded. The distribution parameters of random variables are determined after analysis and numerical calculation of test data. The fatigue strength and the vibration design reliability of turbine blades are determined with the aid of a probabilistic design method and by interference models for stress distribution and strength distribution. Some blade reliability design calculation formulas for a dynamic stress design method, a safety ratio design method for fatigue strength, and a vibration reliability design method for the first and second types of tuned blades and a packet of blades on a disk connected closely, are given together with some practical examples. With these methods, the design reliability of steam turbine blades can be guaranteed in the design stage. This research may provide some scientific basis for reliability design of steam turbine blades. __________ Translated from Chinese Journal of Applied Mechanics, 2007, 24(3): 331–335 [译自: 应用力学学报]