本文摘要：摘要：高壓渦輪盤(pán)是燃?xì)廨啓C(jī)最關(guān)鍵的部件之一，其失效可造成災(zāi)難性后果。本文基于某20MW工業(yè)燃機(jī)高壓渦輪第一級(jí)的完整葉片模型，在NX7.5軟件中建立了渦輪盤(pán)簡(jiǎn)化模型，并確定了其材料。根據(jù)該渦輪盤(pán)的工作條件，在ANSYSWorkbench中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊中完成其
摘要：高壓渦輪盤(pán)是燃?xì)廨啓C(jī)最關(guān)鍵的部件之一，其失效可造成災(zāi)難性后果。本文基于某20MW工業(yè)燃機(jī)高壓渦輪第一級(jí)的完整葉片模型，在NX7.5軟件中建立了渦輪盤(pán)簡(jiǎn)化模型，并確定了其材料。根據(jù)該渦輪盤(pán)的工作條件，在ANSYSWorkbench中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊中完成其載荷約束及應(yīng)力分析，并利用4個(gè)強(qiáng)度校核安全系數(shù)對(duì)應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，其中最小的安全系數(shù)為2.33，證明該初始設(shè)計(jì)過(guò)于保守。因此，對(duì)該渦輪盤(pán)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)并獲得合理安全系數(shù)，最小的為1.3。
關(guān)鍵詞：子午面尺寸優(yōu)化;應(yīng)力分析
1引言
某20MW工業(yè)燃機(jī)第一級(jí)高壓渦輪流道為等中徑設(shè)計(jì)，共有79個(gè)工作葉片�；诔跏�?xì)鈩?dòng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，前期在BladeGen中完成葉片翼型建立，并在NX7.5中完成包括葉片緣板、過(guò)渡段及三齒樅樹(shù)形榫頭等在內(nèi)的葉片整體模型。本文基于已有的葉片模型，初始設(shè)計(jì)了高壓渦輪盤(pán)，該盤(pán)與葉片裝配而成的組合件。同時(shí)，根據(jù)渦輪盤(pán)工作溫度，確定其材料為Inconel718。根據(jù)葉片的質(zhì)心、質(zhì)量以及轉(zhuǎn)速等已知條件，對(duì)盤(pán)的應(yīng)力水平進(jìn)行評(píng)估并作進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，同時(shí)計(jì)算出自持半徑，取得了良好效果。
2渦輪盤(pán)靜強(qiáng)度分析
2.1有限元網(wǎng)格劃分
該渦輪盤(pán)上安裝有79個(gè)葉片，共有79個(gè)榫槽。為使每個(gè)葉片都具有合理的安裝空間，榫槽設(shè)計(jì)為斜槽，斜槽中線與渦輪盤(pán)軸線的夾角為30º。為提高計(jì)算效率，忽略封嚴(yán)篦齒凸邊及法蘭安裝邊上的螺栓孔。渦輪盤(pán)在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)周期性，取4.56º的扇形段進(jìn)行三維有限元計(jì)算，這樣在該扇形段沿周向拷貝79份后，恰好為整個(gè)渦輪盤(pán)。在ANSYSworkbench的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，通過(guò)對(duì)所取得1/79渦輪盤(pán)扇形段進(jìn)行循環(huán)對(duì)稱(chēng)設(shè)置，能夠顯著減少計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用從而提高計(jì)算準(zhǔn)確性和效率。
2.2載荷與邊界條件
渦輪盤(pán)工作環(huán)境復(fù)雜苛刻。本文中僅考慮來(lái)自工作葉片、鎖片及渦輪盤(pán)自身等的離心力，以及沿渦輪盤(pán)徑向及軸向的溫度梯度。
2.2.1離心載荷
假定渦輪葉片的離心載荷均勻分布在與渦輪盤(pán)接觸的榫齒表面上，則根據(jù)葉片質(zhì)量、質(zhì)心與轉(zhuǎn)速，可計(jì)算出該葉片的離心力。理論上渦輪盤(pán)榫槽所有齒面上的壓力和在徑向的分量等于葉片離心力。由NX7.5中的渦輪盤(pán)榫槽三維模型數(shù)據(jù)，可得三個(gè)榫齒與渦輪葉片接觸表面積，因此，三個(gè)榫齒接觸面所受的面壓力可由離心力分解而得。
2.2.2溫度載荷
因第一級(jí)高壓渦輪盤(pán)外緣前后氣體壓力不同，所以盤(pán)緣前后封嚴(yán)氣體來(lái)源不同。高壓壓氣機(jī)出口氣體用來(lái)封嚴(yán)盤(pán)前緣，用2號(hào)流路表示。高壓壓氣機(jī)中間級(jí)氣體的壓力足夠?qū)ΡP(pán)后緣進(jìn)行封嚴(yán)，用3號(hào)流路表示。此外，3號(hào)流路氣體還具備以下作用：1)當(dāng)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)，加熱第二級(jí)高壓我輪盤(pán)盤(pán)心來(lái)減小其溫度梯度;2)當(dāng)燃機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，冷卻第一級(jí)渦輪盤(pán)后盤(pán)面。
3號(hào)流路氣體壓力應(yīng)略高于第一級(jí)高壓渦輪葉片出口壓力。1號(hào)流路氣體，源自高壓壓氣機(jī)出口氣體，經(jīng)一個(gè)預(yù)旋噴嘴加速后，用來(lái)冷卻工作葉片。在初始設(shè)計(jì)階段，根據(jù)以上對(duì)第一級(jí)高壓渦輪盤(pán)盤(pán)腔氣體的介紹，可作以下合理簡(jiǎn)化：盤(pán)緣溫度等于高壓壓氣機(jī)出口溫度(607℃)，盤(pán)心溫度等于高壓壓氣機(jī)中間級(jí)氣體溫度(495℃)。
2.2.3約束
該渦輪盤(pán)通過(guò)前法蘭安裝邊與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子完成裝配，所以前法蘭面的軸向位移設(shè)定為0，同時(shí)約束法蘭面上一小部分區(qū)域的周向位移為0來(lái)限制剛體位移，并加載三對(duì)榫齒面上的面壓力(見(jiàn)表1)以及轉(zhuǎn)速載荷N=10600rpm。
2.3后處理
定義4個(gè)安全考核系數(shù)用來(lái)評(píng)估初始設(shè)計(jì)結(jié)果，所需的渦輪盤(pán)材料強(qiáng)度特性。四個(gè)安全系數(shù)分別限制以下應(yīng)力：1)子午面平均周向應(yīng)力，用來(lái)防止盤(pán)沿周向破裂;2)盤(pán)心最大等效應(yīng)力，用來(lái)考核靜態(tài)強(qiáng)度;3)盤(pán)心最大周向應(yīng)力;4)盤(pán)身最大徑向應(yīng)力，用來(lái)防止盤(pán)沿徑向破裂。經(jīng)計(jì)算，該4項(xiàng)安全系數(shù)分別為：3.74;2.34;2.33;3.01。從以上計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論：初始設(shè)計(jì)的第一級(jí)渦輪盤(pán)過(guò)于保守，應(yīng)重新設(shè)計(jì)以獲得更輕并且具有合理應(yīng)力水平的渦輪盤(pán)。
2.4渦輪盤(pán)重新設(shè)計(jì)
在保持榫槽數(shù)量、形狀、尺寸不變的前提下，對(duì)初始設(shè)計(jì)的渦輪盤(pán)的子午面尺寸作調(diào)整后形成新渦輪盤(pán)。此重新設(shè)計(jì)的渦輪盤(pán)加載相同載荷及約束后，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與初始渦輪盤(pán)對(duì)比總結(jié)在表3中。此外，重新設(shè)計(jì)后的4個(gè)安全系數(shù)分別為：2.08;1.3;1.3;2.82，可見(jiàn)重新設(shè)計(jì)后強(qiáng)度儲(chǔ)備合理。
3結(jié)論
1)本文為某20MW工業(yè)燃機(jī)設(shè)計(jì)了第一級(jí)高壓渦輪盤(pán)并進(jìn)行了應(yīng)力分析，結(jié)果表明最大應(yīng)力部位為盤(pán)心處，與常見(jiàn)渦輪盤(pán)危險(xiǎn)部位一致。同時(shí)，定義了4個(gè)安全系數(shù)對(duì)此渦輪盤(pán)進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)估，結(jié)果顯示此設(shè)計(jì)過(guò)于保守。
2)在初始設(shè)計(jì)渦輪盤(pán)基礎(chǔ)上，對(duì)渦輪盤(pán)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)并作了強(qiáng)度系數(shù)校核，結(jié)果表明強(qiáng)度儲(chǔ)備合理可行。
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