某重型燃气轮机机匣有限元模态分析

刘 星 , 李克安,2, 唐驾时, 温纪云

(1. 长沙理工大学 汽车与机械工程学院, 长沙 410076; 2. 湖南理工学院 机械工程学院, 湖南 岳阳 414006;3. 湖南大学 力学与航空航天学院, 长沙 410082)

引言

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转, 将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械, 是一种旋转叶轮式热力发动机. 大功率重型燃气轮机除可用于发电外, 还可用作大型船舰动力, 是国家综合实力的重要象征. 其机匣的主要激振源有: (1)燃气轮机转子的不平衡量是引起承力系统及其构件振动的重要激振因素; (2)有的燃气轮机由于停车后转子系统的周向温度分布不均, 使转子处于热弯曲变形状态, 如果此时再启动, 易引起燃气轮机的整机振动; (3)燃气轮机转、静子碰撞或转子支点构件不同轴度过大等会引起机匣承力系统的行波振动. 温度对燃气轮机的可靠性和安全性影响很大, 为了避免燃气轮机因发生共振而导致故障, 对考虑温度影响下的重型燃气轮机机匣进行模态分析很有必要.

1 燃气轮机机匣的温度场有限元分析

1.1 模型的建立

某重型燃气轮机机匣的结构如图1所示. 在ANSYS软件中建立有限元模型时, 热分析单元类型采用八节点六面体单元(在ANSYS软件中为SOLID70). 机匣有限元模型共划分单元总数为1059754, 节点总数为304329.

1.2 材料的属性

该燃气轮机机匣的材料总共由三种合金材料组成, 本文分别用材料1、材料2、材料3来指代三种材料的名称. 进气机匣和1～5级压气机机匣的材料为材料1; 6～15级压气机、扩压、燃烧室、透平、后支撑和透平后机匣的材料为材料2; 前支撑轴承、前支撑壳体、后支撑轴承、承力环组件和支板的材料为材料3. 三种材料的材料属性随温度而变化,材料1的密度, 泊松比; 材料 2的密度, 泊松比; 材料3的密度, 三种材料的导热系数相同. 表1和表2为三种材料属性参数.

表1 材料随温度变化的导热系数

图1 燃气轮机机匣内部图

图2 燃气轮机机匣的温度载荷图

1.3 机匣的温度场分析及边界条件

在ANSYS软件平台分析机匣的温度场分布时, 温度作为自由度约束施加于机匣的几何模型. 图2为将机匣内、外表面的温度值作为自由度约束施加于机匣的几何模型.

表2 材料随温度变化的弹性模量

表3 燃气轮机各气缸机匣内部温度值

表4 压气机各级静子叶片之间的温度值

1.4 机匣的温度场分析结果

图3和图4为机匣通过ANSYS软件数值仿真得到的温度场分布结果. 从图4明显可以看出后支撑和后透平机匣内表面的温度值最大. 当机匣的温度值不是很高时, 温度在 6～15级压气机机匣壁的扩散厚度大于后支撑机匣壁及后透平机匣壁的扩散厚度.

图3 机匣的温度分布图

图4 机匣的内部温度分布图

2 燃气轮机机匣的模态分析

2.1 燃气轮机机匣的模态分析的边界条件

在ANSYS软件中建立模态分析的有限元模型时, 结构分析单元类型采用八节点六面体单元(在ANSYS软件中为SOLID45). 整个机匣的网格由粗网格和细网格构成, 进气段机匣和后支撑段机匣的网格为细网格, 机匣其他结构的网格为粗网格. 图5为机匣的网格划分图.

机匣的位移边界约束采用4个约束块来约束机匣X方向、Y方向和Z方向的位移. 前面二个约束块附着在1～5级压气机机匣的水平方向, 并且左右放置, 左前约束块约束机匣移动的X方向、Y方向和Z方向, 右前约束块约束机匣移动的X方向和Z方向. 后面二个约束块附着在后支撑机匣的水平方向, 并且左右放置,后二个约束块均约束机匣移动的X方向. 图6为机匣的位移约束图.

图5 机匣的网格图

图6 机匣的位移约束图

2.2 不考虑温度影响的燃气轮机机匣的模态分析结果

2.2.1 模态分析得到的固有频率

不考虑温度因素对机匣模态分析的影响, 通过ANSYS软件分析得到了机匣的模态分析结果的前十阶固有频率, 如表5所示.

表5 机匣的前十阶固有频率

2.2.2 模态分析得到的前六阶振型(图7)

图7 机匣的前六阶振型

2.2.3 模态分析的结果分析

(1)本模态分析虽然没有进行实验验证, 但从经验判断, 模态分析的结果(包括各阶模态的频率和振型)是符合实际情况的.

(2)从固有频率的计算结果来看, 由于燃气轮机结构属于轴对称结构, 所以某些振型的自振频率数值比较相近.

(3)表中数据意味着当外部激励的频率接近表中数值时, 有可能产生较大振幅, 使结构受到损害, 因此可通过修改设计, 改变振动出现的频率范围, 来提高燃气轮机的可靠性和安全性.

(4)在不考虑温度因素影响燃气轮机机匣模态的情况下, 通过分析机匣的前十阶模态振型得出: 机匣的第一阶、第二阶、第三阶、第五阶、第六阶、第八阶和第十阶固有模态振型为弯曲振型; 机匣的第四阶、第七阶和第九阶固有模态振型为扭矩振型.

(5)机匣的弯曲振型主要是水平方向(X方向)摆动、垂直方向(Z方向)摆动和轴线方向(Y方向)拉伸, 以及三个方向的组合运动. 机匣的扭矩振型是绕轴线方向(Y方向)转动.

(6)机匣的第一阶振型是机匣横向水平面内的摆动; 机匣的第二阶振型是机匣垂直面内的摆动; 机匣的第三阶振型是机匣横向水平面和垂直面的组合摆动; 机匣的第四阶振型是机匣的进气气缸段机匣绕轴线的扭矩振动; 机匣的第五阶振型是机匣垂直面内的弯曲振动; 机匣的第六阶振型是机匣的支板及支承环组件沿轴线的拉伸弯曲振动.

2.3 考虑温度影响的燃气轮机机匣的模态分析结果

2.3.1 模态分析得到的固有频率

考虑温度因素对机匣模态分析的影响, 通过ANSYS软件分析得到了机匣的模态分析结果的前十阶固有频率, 如表6所示.

表6 机匣的前十阶固有频率

2.3.2 模态分析得到的振型(图8)

图8 机匣的前六阶振型

2.3.3 模态分析的结果分析

(1)考虑温度因素影响燃气轮机机匣模态的情况下, 通过分析机匣的前十阶模态振型得出: 机匣的第一阶、第二阶、第三阶、第五阶、第六阶、第八阶和第十阶固有模态振型为弯曲振型; 机匣的第四阶、第七阶和第九阶固有模态振型为扭矩振型.

(2)机匣的第一阶振型是机匣横向水平面内的摆动; 机匣的第二阶振型是机匣垂直面内的摆动; 机匣的第三阶振型是机匣横向水平面和垂直面的组合摆动; 机匣的第四阶振型是机匣的进气气缸段机匣绕轴线的扭矩振动; 机匣的第五阶振型是机匣支板及支承环组件沿轴线的拉伸弯曲振动; 机匣的第六阶振型是机匣的支板及支承环组件沿轴线的扭矩振动.

3 结论

(1)通过分别分析温度影响与否两种情况下的燃气轮机机匣的模态得知: 考虑温度因素影响的机匣弯曲振动的固有频率比不考虑温度影响的机匣弯曲振动的固有频率低, 原因是机匣温度的升高使机匣材料的弹性模量降低, 从而使机匣的刚度降低导致机匣的自振频率下降, 温度因素对机匣的固有频率和振型有影响.

(2)考虑温度因素影响的机匣和不考虑温度因素影响的机匣的扭转振动出现的固有频率数值近似相等,原因是机匣4个约束块对机匣的X方向全部约束, 而机匣的Y方向只有一个约束块约束.

(3)通过分析机匣的模态,结果表明温度因素影响机匣的振动特性, 使机匣的固有频率数值降低, 可能使燃气轮机在定运转过程中发生共振的机率增大, 模态分析结果有助于工程应用实际的理论指导.

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