【CAE案例】渦輪發電機主軸扭轉與葉片彎曲耦合振動分析

CAE璐姐

2023年1月20日 15:06

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研究背景

渦輪發電機組是以渦輪機驅動交流發電機運轉，使機械能轉變成電能和熱能的發電設備。

振動是渦輪發電機運行過程中值得特別關注的問題。由于本身的復雜結構，以及運行過程中的隨機性，渦輪發電機振動的成因也比較復雜：機組的設計、加工不當，部件本身的機械缺陷，機組的約束、受力都會引起振動。過大的振動會帶來危害，如加劇材料的疲勞破壞，加快旋轉部件的磨損，引起葉片疲勞破壞與斷裂。機組共振還會引起廠房振動，對設備和人員安全造成威脅。

本案例以N4渦輪發電機組為例，通過code_aster實現對發電機的主軸扭轉和葉片的彎曲的耦合計算，目的是防止渦輪發電機的旋轉頻率和諧振干擾主軸扭轉和葉片彎曲的模式。案例的核心是通過Sous-Structuration dynamique實現計算模型的拆分求解和再裝配，對于復雜模型具有參考意義。

2 模型建立和計算設置

圖為N4型渦輪發電機組的設計圖。在計算中可以根據葉片的幾何特征，把這些結構用code_aster內置的梁單元模型進行替代建模。這樣既能夠保證結果的準確性，又能簡化幾何，減少計算量。

【CAE案例】渦輪發電機主軸扭轉與葉片彎曲耦合振動分析的圖1

圖1：N4型渦輪發電機組

下圖為發電機組的模型劃分，發電機被分為交換機（Alternateur），低壓區（BP）以及中壓區（HMP）幾個區域。模型中大部分葉片采用了無限剛度的假設，而BP段的最后一個葉片尺寸較大，可以在以彎曲狀態振動，因而不適用這個假設。

【CAE案例】渦輪發電機主軸扭轉與葉片彎曲耦合振動分析的圖2

圖2：發電機組集總模型

模型的建立和網格的劃分采用SALOME_MECA前后處理平臺進行，本次計算中均使用結構化的網格設置。

【CAE案例】渦輪發電機主軸扭轉與葉片彎曲耦合振動分析的圖3

圖3：網格劃分

計算模型采用三維梁單元（3D_POU）。考慮到BP區的葉片的對稱特征，可以建立一半的葉片模型，通過投影得到另一半的結果。這里用到的工具是動態子單元(Sous-Structuration dynamique)。整個模型的計算也可以通過動態子單元實現。其過程為：在子模型上計算得到結果；定義一個用于投射結果的架構網格；把結果重新投射到架構網格上；模態分析。