一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法与流程

本发明涉及汽轮机叶片加工技术。

背景技术：

在设计阶段校核叶片强度时对温度的处理一般仅限于对整个模型施加固定的工作温度进行有限元计算，虽然线胀系数的影响能够粗略考虑到计算之中，但是汽轮机叶片工作温度高，不同位置温度不同，常常产生不小的热应力，对叶片的强度有较强影响，即对整个模型施加固定的工作温度进行有限元计算不能够准确表达温度场对叶片强度的影响，从而导致校核叶片的安全性较差。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的对整个模型施加固定的工作温度进行有限元计算无法准确表达温度场对叶片强度的影响，从而导致校核叶片的安全性差的问题，提出了一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法。

本发明所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法包括以下步骤：

步骤一、对汽轮机叶片进行几何建模，构建出汽轮机叶片的3d实体模型；

步骤二、将步骤一构建的汽轮机叶片3d实体模型进行网格绘制，绘制网格模型；

步骤三、将步骤二绘制的网格模型导入至有限元计算软件abaqus中进行有限元设置，计算出网格模型的温度场；

步骤四、将步骤三计算的温度场施加在稳态工作下的叶片，计算出汽轮机叶片的热应力。

本发明的有益效果是：准确计算出汽轮机叶片的温度场以及温度场带来的热应力，从而完成汽轮机叶片的热应力安全性校核，校核叶片的安全性较高。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法流程框图；

图2为具体实施方式二中叶片的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，该计算方法包括以下步骤：

步骤一、对汽轮机叶片进行几何建模，构建出汽轮机叶片的3d实体模型；

步骤二、将步骤一构建的汽轮机叶片3d实体模型进行网格绘制，绘制网格模型；

步骤三、将步骤二绘制的网格模型导入至有限元计算软件abaqus中进行有限元设置，计算出网格模型的温度场；

步骤四、将步骤三计算的温度场施加在稳态工作下的叶片，计算出汽轮机叶片的热应力。

在本实施方式中，步骤一中通过ug进行几何建模；并且步骤一中的汽轮机叶片为co2机组叶片；取整圈叶片中的一只进行建模；步骤二中采用网格软件ansa绘制网格模型，并采用六面体网格，绘制好的网格模型为inp格式。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法进一步限定，在本实施方式中，步骤一中对汽轮机叶片进行几何建模时，取单只叶片进行几何建模，并且叶片包括叶型1、轮盘2和连接轴3；

所述连接轴3，用于连接汽轮机转子的外圆周；

所述轮盘2安装在连接轴3上；

所述叶型1固定在轮盘2上。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法进一步限定，在本实施方式中，步骤三中，将步骤二绘制的网格模型导入至有限元计算软件abaqus中进行有限元设置的具体过程包括：

步骤三一、在有限元计算软件abaqus中建立有限元网格计算模型；

步骤三二、在步骤三一建立的有限元网格计算模型中定义汽轮机叶片的导热数据；

步骤三三、在有限元网格计算模型中添加温度场计算请求；

步骤三四、设置热传递网格单元格式；

步骤三五、在有限元网格计算模型上定义前处理需要的三维叶片面集合、节点集合、轮盘2与连接轴3之间接触的传热系数和有限元网格计算模型边界温度约束；

步骤三六、利用定义的汽轮机叶片导热数据、温度场计算请求、设置的热传递网格单元格式以及三维叶片面集合、节点集合、轮盘2与连接轴3之间接触的传热系数和有限元网格计算模型边界温度约束，得出并提交有限元计算得到温度场。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法进一步限定，在本实施方式中，步骤三二中所述的轮机叶片的导热数据包括叶型1的导热率、轮盘2的导热率和连接轴3的导热率。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法进一步限定，在本实施方式中，步骤三五中所述的三维叶片面集合为：轮盘2和连接轴3之间的接触面；

步骤三五中所述的节点集合为：轮盘2两侧端面温度约束用节点、连接轴3两侧端面温度约束用节点、轮盘2表面温度约束用节点和叶型1表面温度约束用节点；

步骤三五中所述的有限元网格计算模型边界温度约束为：轮盘2两侧端面温度约束、连接轴3两侧端面温度约束、轮盘2表面温度约束和叶型1表面温度约束。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法进一步限定，在本实施方式中，步骤四中计算出汽轮机叶片热应力的具体步骤为：

步骤四一、在有限元网格计算模型中定义汽轮机叶片的材料数据；所述汽轮机叶片的材料数据包括：叶型1在不同温度下的密度、轮盘2在不同温度下的密度、连接轴3在不同温度下的密度、叶型1在不同温度下的线胀系数、轮盘2在不同温度下的线胀系数、连接轴3在不同温度下的线胀系数、叶型1在不同温度下的弹性模量、轮盘2在不同温度下的弹性模量和连接轴3在不同温度下的弹性模量；

步骤四二、在有限元网格计算模型中添加热应力计算的请求；

步骤四三、设置c3d8r网格单元格式；

步骤四四、在有限元网格计算模型上定义前处理需要的单元集合、轮盘2与连接轴3的离心力强度、轮盘2与连接轴3之间接触的摩擦系数和有限元网格计算模型位移约束；

步骤四五、利用定义的汽轮机叶片的材料数据、热应力计算请求、设置的c3d8r网格单元格式以及单元集合、轮盘2与连接轴3的离心力强度、轮盘2与连接轴3之间接触的摩擦系数和有限元网格计算模型位移约束，得出有限元计算得到热应力。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法进一步限定，在本实施方式中，步骤四一中所述的汽轮机叶片的材料数据包括：叶型1在不同温度下的密度、轮盘2在不同温度下的密度、连接轴3在不同温度下的密度、叶型1在不同温度下的线胀系数、轮盘2在不同温度下的线胀系数、连接轴3在不同温度下的线胀系数、叶型1在不同温度下的弹性模量、轮盘2在不同温度下的弹性模量和连接轴3在不同温度下的弹性模量。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法进一步限定，在本实施方式中，步骤四四中所述的单元集合为：用于加载离心力的所有模型单元；

步骤四四中所述的有限元网格计算模型位移约束为：连接轴3中心径向约束、轮盘2一侧端面轴向与周向约束和连接轴3一侧轴向与周向约束。

技术特征：

1.一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，其特征在于，该计算方法包括以下步骤：

步骤一、对汽轮机叶片进行几何建模，构建出汽轮机叶片的3d实体模型；

步骤二、将步骤一构建的汽轮机叶片3d实体模型进行网格绘制，绘制网格模型；

步骤三、将步骤二绘制的网格模型导入至有限元计算软件abaqus中进行有限元设置，计算出网格模型的温度场；

步骤四、将步骤三计算的温度场施加在稳态工作下的叶片，计算出汽轮机叶片的热应力。

2.根据权利要求1所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，其特征在于，步骤一中对汽轮机叶片进行几何建模时，取单只叶片进行几何建模，并且叶片包括叶型(1)、轮盘(2)和连接轴(3)；

所述连接轴(3)，用于连接汽轮机转子的外圆周；

所述轮盘(2)安装在连接轴(3)上；

所述叶型(1)固定在轮盘(2)上。

3.根据权利要求2所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，其特征在于，步骤三中，将步骤二绘制的网格模型导入至有限元计算软件abaqus中进行有限元设置的具体过程包括：

步骤三一、在有限元计算软件abaqus中建立有限元网格计算模型；

步骤三二、在步骤三一建立的有限元网格计算模型中定义汽轮机叶片的导热数据；

步骤三三、在有限元网格计算模型中添加温度场计算请求；

步骤三四、设置热传递网格单元格式；

步骤三五、在有限元网格计算模型上定义前处理需要的三维叶片面集合、节点集合、轮盘(2)与连接轴(3)之间接触的传热系数和有限元网格计算模型边界温度约束；

步骤三六、利用定义的汽轮机叶片导热数据、温度场计算请求、设置的热传递网格单元格式以及三维叶片面集合、节点集合、轮盘(2)与连接轴(3)之间接触的传热系数和有限元网格计算模型边界温度约束，得出并提交有限元计算得到温度场。

4.根据权利要求3所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，其特征在于，步骤三二中所述的轮机叶片的导热数据包括叶型(1)的导热率、轮盘(2)的导热率和连接轴(3)的导热率。

5.根据权利要求3所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，其特征在于，步骤三五中所述的三维叶片面集合为：轮盘(2)和连接轴(3)之间的接触面；

步骤三五中所述的节点集合为：轮盘(2)两侧端面温度约束用节点、连接轴(3)两侧端面温度约束用节点、轮盘(2)表面温度约束用节点和叶型(1)表面温度约束用节点；

步骤三五中所述的有限元网格计算模型边界温度约束为：轮盘(2)两侧端面温度约束、连接轴(3)两侧端面温度约束、轮盘(2)表面温度约束和叶型(1)表面温度约束。

6.根据权利要求3所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，其特征在于，步骤四中计算出汽轮机叶片热应力的具体步骤为：

步骤四一、在有限元网格计算模型中定义汽轮机叶片的材料数据；

步骤四二、在有限元网格计算模型中添加热应力计算的请求；

步骤四三、设置c3d8r网格单元格式；

步骤四四、在有限元网格计算模型上定义前处理需要的单元集合、轮盘(2)与连接轴(3)的离心力强度、轮盘(2)与连接轴(3)之间接触的摩擦系数和有限元网格计算模型位移约束；

步骤四五、利用定义的汽轮机叶片的材料数据、热应力计算请求、设置的c3d8r网格单元格式以及单元集合、轮盘(2)与连接轴(3)的离心力强度、轮盘(2)与连接轴(3)之间接触的摩擦系数和有限元网格计算模型位移约束，得出有限元计算得到热应力。

7.根据权利要求6所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，其特征在于，步骤四一中所述的汽轮机叶片的材料数据包括：叶型(1)在不同温度下的密度、轮盘(2)在不同温度下的密度、连接轴(3)在不同温度下的密度、叶型(1)在不同温度下的线胀系数、轮盘(2)在不同温度下的线胀系数、连接轴(3)在不同温度下的线胀系数、叶型(1)在不同温度下的弹性模量、轮盘(2)在不同温度下的弹性模量和连接轴(3)在不同温度下的弹性模量。

8.根据权利要求6所述的一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，其特征在于，

步骤四四中所述的单元集合为：用于加载离心力的所有模型单元；

步骤四四中所述的有限元网格计算模型位移约束为：连接轴(3)中心径向约束、轮盘(2)一侧端面轴向与周向约束和连接轴(3)一侧轴向与周向约束。

技术总结
一种汽轮机叶片的热应力有限元计算方法，涉及汽轮机叶片加工技术，为了解决现有的对整个模型施加固定的工作温度进行有限元计算无法准确表达温度场对叶片强度的影响，从而导致校核叶片的安全性差的问题。本发明通过对汽轮机叶片进行几何建模，构建出汽轮机叶片的3D实体模型；将构建的汽轮机叶片3D实体模型进行网格绘制，绘制网格模型；再将绘制的网格模型导入至有限元计算软件ABAQUS中进行有限元设置，计算出网格模型的温度场；最后将计算的温度场施加在稳态工作下的叶片，计算出汽轮机叶片的热应力。有益效果为校核叶片的安全性较高。

技术研发人员：武芏茳;马义良;王健;关淳;潘春燕;梁天赋;李央;王丽华;徐林峰;高铁印;刘瑶;赵洪羽;马天吟
受保护的技术使用者：哈尔滨汽轮机厂有限责任公司
技术研发日：2021.05.25
技术公布日：2021.08.24