本文摘要：摘要：高壓渦輪盤是燃氣輪機最關(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)燃機高壓渦輪第一級的完整葉片模型，在NX7.5軟件中建立了渦輪盤簡化模型，并確定了其材料。根據(jù)該渦輪盤的工作條件，在ANSYSWorkbench中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊中完成其
摘要：高壓渦輪盤是燃氣輪機最關(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)燃機高壓渦輪第一級的完整葉片模型，在NX7.5軟件中建立了渦輪盤簡化模型，并確定了其材料。根據(jù)該渦輪盤的工作條件，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個強度校核安全系數(shù)對應(yīng)力結(jié)果進行了評估，其中最小的安全系數(shù)為2.33，證明該初始設(shè)計過于保守。因此，對該渦輪盤進行了重新設(shè)計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)燃機第一級高壓渦輪流道為等中徑設(shè)計，共有79個工作葉片。基于初始氣動設(shè)計數(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、過渡段及三齒樅樹形榫頭等在內(nèi)的葉片整體模型。本文基于已有的葉片模型，初始設(shè)計了高壓渦輪盤，該盤與葉片裝配而成的組合件。同時，根據(jù)渦輪盤工作溫度，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，對盤的應(yīng)力水平進行評估并作進一步改進設(shè)計，同時計算出自持半徑，取得了良好效果。
2渦輪盤靜強度分析
2.1有限元網(wǎng)格劃分
該渦輪盤上安裝有79個葉片，共有79個榫槽。為使每個葉片都具有合理的安裝空間，榫槽設(shè)計為斜槽，斜槽中線與渦輪盤軸線的夾角為30º。為提高計算效率，忽略封嚴篦齒凸邊及法蘭安裝邊上的螺栓孔。渦輪盤在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)周期性，取4.56º的扇形段進行三維有限元計算，這樣在該扇形段沿周向拷貝79份后，恰好為整個渦輪盤。在ANSYSworkbench的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，通過對所取得1/79渦輪盤扇形段進行循環(huán)對稱設(shè)置，能夠顯著減少計算機內(nèi)存占用從而提高計算準確性和效率。
2.2載荷與邊界條件
渦輪盤工作環(huán)境復(fù)雜苛刻。本文中僅考慮來自工作葉片、鎖片及渦輪盤自身等的離心力，以及沿渦輪盤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，可計算出該葉片的離心力。理論上渦輪盤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中的渦輪盤榫槽三維模型數(shù)據(jù)，可得三個榫齒與渦輪葉片接觸表面積，因此，三個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
因第一級高壓渦輪盤外緣前后氣體壓力不同，所以盤緣前后封嚴氣體來源不同。高壓壓氣機出口氣體用來封嚴盤前緣，用2號流路表示。高壓壓氣機中間級氣體的壓力足夠?qū)ΡP后緣進行封嚴，用3號流路表示。此外，3號流路氣體還具備以下作用：1)當(dāng)燃機起動時，加熱第二級高壓我輪盤盤心來減小其溫度梯度;2)當(dāng)燃機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，冷卻第一級渦輪盤后盤面。
3號流路氣體壓力應(yīng)略高于第一級高壓渦輪葉片出口壓力。1號流路氣體，源自高壓壓氣機出口氣體，經(jīng)一個預(yù)旋噴嘴加速后，用來冷卻工作葉片。在初始設(shè)計階段，根據(jù)以上對第一級高壓渦輪盤盤腔氣體的介紹，可作以下合理簡化：盤緣溫度等于高壓壓氣機出口溫度(607℃)，盤心溫度等于高壓壓氣機中間級氣體溫度(495℃)。
2.2.3約束
該渦輪盤通過前法蘭安裝邊與高壓壓氣機轉(zhuǎn)子完成裝配，所以前法蘭面的軸向位移設(shè)定為0，同時約束法蘭面上一小部分區(qū)域的周向位移為0來限制剛體位移，并加載三對榫齒面上的面壓力(見表1)以及轉(zhuǎn)速載荷N=10600rpm。
2.3后處理
定義4個安全考核系數(shù)用來評估初始設(shè)計結(jié)果，所需的渦輪盤材料強度特性。四個安全系數(shù)分別限制以下應(yīng)力：1)子午面平均周向應(yīng)力，用來防止盤沿周向破裂;2)盤心最大等效應(yīng)力，用來考核靜態(tài)強度;3)盤心最大周向應(yīng)力;4)盤身最大徑向應(yīng)力，用來防止盤沿徑向破裂。經(jīng)計算，該4項安全系數(shù)分別為：3.74;2.34;2.33;3.01。從以上計算結(jié)果可以得出結(jié)論：初始設(shè)計的第一級渦輪盤過于保守，應(yīng)重新設(shè)計以獲得更輕并且具有合理應(yīng)力水平的渦輪盤。
2.4渦輪盤重新設(shè)計
在保持榫槽數(shù)量、形狀、尺寸不變的前提下，對初始設(shè)計的渦輪盤的子午面尺寸作調(diào)整后形成新渦輪盤。此重新設(shè)計的渦輪盤加載相同載荷及約束后，應(yīng)力計算結(jié)果與初始渦輪盤對比總結(jié)在表3中。此外，重新設(shè)計后的4個安全系數(shù)分別為：2.08;1.3;1.3;2.82，可見重新設(shè)計后強度儲備合理。
3結(jié)論
1)本文為某20MW工業(yè)燃機設(shè)計了第一級高壓渦輪盤并進行了應(yīng)力分析，結(jié)果表明最大應(yīng)力部位為盤心處，與常見渦輪盤危險部位一致。同時，定義了4個安全系數(shù)對此渦輪盤進行了強度評估，結(jié)果顯示此設(shè)計過于保守。
2)在初始設(shè)計渦輪盤基礎(chǔ)上，對渦輪盤進行了重新設(shè)計并作了強度系數(shù)校核，結(jié)果表明強度儲備合理可行。
參考文獻
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