【CAE案例】涡轮发电机主轴扭转与叶片弯曲耦合振动分析

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研究背景













涡轮发电机组是以涡轮机驱动交流发电机运转,使机械能转变成电能和热能的发电设备。


振动是涡轮发电机运行过程中值得特别关注的问题。由于本身的复杂结构,以及运行过程中的随机性,涡轮发电机振动的成因也比较复杂:机组的设计、加工不当,部件本身的机械缺陷,机组的约束、受力都会引起振动。过大的振动会带来危害,如加剧材料的疲劳破坏,加快旋转部件的磨损,引起叶片疲劳破坏与断裂。机组共振还会引起厂房振动,对设备和人员安全造成威胁。


本案例以N4涡轮发电机组为例,通过code_aster实现对发电机的主轴扭转和叶片的弯曲的耦合计算,目的是防止涡轮发电机的旋转频率和谐振干扰主轴扭转和叶片弯曲的模式。案例的核心是通过Sous-Structuration dynamique实现计算模型的拆分求解和再装配,对于复杂模型具有参考意义。






模型建立和计算设置













图为N4型涡轮发电机组的设计图。在计算中可以根据叶片的几何特征,把这些结构用code_aster内置的梁单元模型进行替代建模。这样既能够保证结果的准确性,又能简化几何,减少计算量。

【CAE案例】涡轮发电机主轴扭转与叶片弯曲耦合振动分析的图1

图1:N4型涡轮发电机组

下图为发电机组的模型划分,发电机被分为交换机(Alternateur),低压区(BP)以及中压区(HMP)几个区域。模型中大部分叶片采用了无限刚度的假设,而BP段的最后一个叶片尺寸较大,可以在以弯曲状态振动,因而不适用这个假设。

【CAE案例】涡轮发电机主轴扭转与叶片弯曲耦合振动分析的图2

图2:发电机组集总模型

模型的建立和网格的划分采用SALOME_MECA前后处理平台进行,本次计算中均使用结构化的网格设置。

【CAE案例】涡轮发电机主轴扭转与叶片弯曲耦合振动分析的图3

图3:网格划分

计算模型采用三维梁单元(3D_POU)。考虑到BP区的叶片的对称特征,可以建立一半的叶片模型,通过投影得到另一半的结果。这里用到的工具是动态子单元(Sous-Structuration dynamique)。整个模型的计算也可以通过动态子单元实现。其过程为:在子模型上计算得到结果;定义一个用于投射结果的架构网格;把结果重新投射到架构网格上;模态分析。





3 计算结果













【CAE案例】涡轮发电机主轴扭转与叶片弯曲耦合振动分析的图4

图 4:扭转-弯曲耦合的模态变形结果

【CAE案例】涡轮发电机主轴扭转与叶片弯曲耦合振动分析的图5

图 5:沿轴的扭转变化

【CAE案例】涡轮发电机主轴扭转与叶片弯曲耦合振动分析的图6
图 6:特征频率关于叶片刚度的敏感性




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研究结论













与假设无限刚度的叶片不同,BP段的最后一个叶片上出现了三重模式。这些模式对轴的扭转和叶片的弯曲均有贡献。因此,在这些频率下,轴的扭转激励会引起叶片的显著弯曲。

根据叶片的机械特性的敏感性分析和模态能量百分比差异的贡献,一方面证实了轴线扭转和叶片弯曲存在耦合,另一方面验证了最后两段的耦合关系。

这种轴线建模的方法同样适用于叶片失谐行为对轴线影响的评估。





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