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1.引言
某型燃氣輪機是我國自行研制的首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中檔功率輕型燃氣輪機，由昆侖發(fā)動機改型而來，主要用于發(fā)電。該燃氣輪機I級、II級動力渦輪盤原結(jié)構(gòu)采用K438材料加工而成，目前該種材料在市場不易采購且價格較高，不利于改型燃氣輪機的推廣。為此，本研究是基于有限元法，針對I級、II級動力渦輪盤組件進行盤改材料靜強度分析計算。通過給定條件，首次以I級、II級動力渦組件的形式計算其溫度場，得到新材料下渦輪盤的強度，為渦輪盤變更設計提供理論參考。
2.燃氣輪機結(jié)構(gòu)
燃氣輪機有2級動力渦輪盤，I級、II級渦輪葉片數(shù)均為97 , I級、II級導向器葉片數(shù)均為85，渦輪盤外緣均布97個樺槽。第I級渦輪盤前側(cè)有蓖齒封嚴突緣及平衡配重組件安裝槽突緣。兩級動力渦輪盤之間有一個級間蓖齒封嚴圈，封嚴圈與兩級渦輪盤之間以套接方式相連。16個聯(lián)接螺栓將兩級渦輪盤及主軸組件通過套齒相連。
燃氣輪機工作過程中，動力渦輪盤承受的載荷主要有：葉片、樺頭及輪盤本身的質(zhì)量離心力，輪緣部位與輪盤中心部位的溫度梯度，氣動載荷(由葉片傳來的氣體力和輪盤前、后端面上的氣體壓力)，葉片及輪盤運行中振動時產(chǎn)生的動載荷，盤與軸連接處的裝配應力等。其中氣動載荷、振動載荷對輪盤的靜強度影響較小，載荷數(shù)據(jù)的影響也比較有限，所以本研究進行強度計算時主要考慮離心載荷、溫度載荷及裝配條件的影響。
所選GH4169高溫合金為餅材，其材料參數(shù)為：密度8.24 kg/cm3，彈性模量193 GPa，泊松比0.3，屈服強度1310 MPa，線膨脹系數(shù)13.5x10-6。
3.計算模型建立
考慮到渦輪盤上均布的螺栓孔數(shù)和套齒數(shù)的最大公約數(shù)為16，利用旋轉(zhuǎn)周期性條件，將渦輪工作葉片數(shù)簡化為96，級間蓖齒封嚴圈上的40個中4.8孔按等效流通能力條件簡化為均布的32個中5.0孔。旋轉(zhuǎn)坐標系區(qū)和被包圍在其內(nèi)部的固體區(qū)取圓周1/16的扇形區(qū)域為計算域，并包含6個完整的工作葉片和葉柵通道。
4.溫度場計算
建立合理的動力渦輪盤溫度場計算模型，是獲得可靠強度分析結(jié)論的重要技術(shù)保證。為得到滿足渦輪盤強度計算要求精度的溫度分布，本研究建立了包括渦輪燃氣流道、冷卻空氣腔、渦輪工作葉片和渦輪盤的流-固-熱耦合模型。
動力渦輪中，基本傳熱過程是燃氣通過動力渦輪葉片將熱量傳給渦輪盤，渦輪盤再將熱量傳給冷卻空氣。因此，動力渦輪盤溫度場計算模型的計算域，應包括渦輪盤、渦輪工作葉片、燃氣流道和冷卻空氣腔，見圖。
作為流-固-熱耦合計算模型，計算網(wǎng)格應具有良好的正交性和單元質(zhì)量等要求。流體區(qū)網(wǎng)格應滿足基于求解RAMS的湍流模型對單元尺寸的要求，特別是對近壁區(qū)湍流速度、溫度分布精確計算的要求，應滿足近壁區(qū)處理方法對壁面了的要求，固體區(qū)網(wǎng)格則主要應與溫度和熱流通量分布相適應。
速度著色的流線表示，渦輪盤、葉片、機匣等固體部分顯示了表面和子午面的溫度，燃氣通道入口和出口顯示為燃氣溫度。
渦輪盤強度采用有限元法(FEM)計算，需將流-固-熱耦合CFD模型計算所得渦輪盤和封嚴圈溫度場數(shù)據(jù)向FEM結(jié)構(gòu)分析模型映射。導入并映射溫度場后的渦輪盤和封嚴圈有限元模型如圖所示。
動力渦輪出口溫度計算值與實測值的對比如表所示，可見二者偏差較小，表明計算模型和計算結(jié)果可信。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務與解決方案
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