某型燃气轮机透平转子的稳态温度场及应力场分析

某型燃气轮机低压涡轮压气机转子动力学分析

收稿日期 : 2010- 04- 20 作者简介 : 关琦 ( 1980- ), 男 , 工程师 , 研究方向为涡轮机结构强度振动。
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舰
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科
学
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术
第 32 卷
1 结构简介
该型燃气轮机低压涡轮压气机转子呈轴流轮毂式整体结构 , 它由 9级低压压气机和 1 级低压涡轮组成 , 低压压气机与低压涡轮之间通过低压涡轮轴连接并以花键传递扭矩 (见图 1) 。 0 ~ 8 级低压压气机轮盘、叶片材料为钛合金 ; 低压涡轮盘、叶片材料为高温合金; 低压涡轮轴材料为马氏体不锈钢。低压涡轮压气机转子呈 3 点支承结构, 前支承采用径向止推滚珠轴承, 支承点位于压气机 0 级轮盘前段, 由弹性支承、挤压油膜阻尼器、滚珠轴承组成 ; 中间支承采用滚柱轴承, 由挤压油膜阻尼器、滚珠轴承组成, 支承点位于低压压气机后轴径后段 ; 后支承采用滚柱轴承, 由弹性支承、挤压油膜阻尼器、滚珠轴承组成, 支承点位于低压涡轮轴后段。
[ 3]
建立总体直角坐标系 (X , Y, Z ) 和局部圆柱坐标
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第 8期
关
琦 , 等: 某型燃气轮机低压涡轮压气机转子动力学分析阻尼器的 8个参数计算
kxx = kyx = Cxx = Cyx =
2 ) L RL 3 48 E0 ( 1 + E 0 # 3 2 3 c ( 1 - E0 )
图 1 低压涡轮压气机转子 P ig . 5 T he rotor of low tu rbocompresso r
速产生比较大的影响, 叶片等效简化为集中质量加到计算模型中。
2 计算模型
该型燃机低压涡轮压气机转子的 3D 模型较大 , 这将导致在网格划分以及计算过程中花费大量时间 , 因此我们对本机组的计算采用 2D 轴对称模型。在总体直角坐标系下建立二维轴对称单元 , 其种类有 3 节点或高阶 6 节点的三角形单元、 4 节点或高阶 8 节点的四边形单元。每个节点有 9 个自由度 , 前 6 个自由度与梁单元一样, 分别为沿旋转轴线方向的拉伸和扭转, 以及由弯曲而引起的其他 2 个方向的线位移和角位移。另外, 3 个自由度与旋转轴的横截面变形有关 , 分别为拉伸引起的径向位移和弯曲引起的 2 个切向位移。同时, 使用这类单元可以很好地模拟转子的 / 涡动效应 0。系 ( er, z, eH )。设定 u r, uz, uH, <r, <z, <H 为局部坐标系下的位移分量, 将它们沿 H向按傅立叶级数展开如下 :

某型燃气轮机动力涡轮静子温度场计算

Dynamical Systems and Control 动力系统与控制, 2019, 8(4), 222-229Published Online October 2019 in Hans. /journal/dschttps:///10.12677/dsc.2019.84024Temperature Field Calculation of a CertainType of Gas Turbine Power Turbine StatorRenchao Ge1, Fengshou Xiongcao2, Zhaochun Tang21The 3rd Naval Military Representative Office in Harbin, Harbin Heilongjiang2College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan HubeiReceived: Aug. 17th, 2019; accepted: Aug. 26th, 2019; published: Sep. 12th, 2019AbstractIn order to ensure the reliability and strength of the power turbine, the surface temperature field of the power turbine stator (including the third and fourth casings, the third and fourth stage guides, etc.) is calculated in detail. In the calculation process, the number of elements and nodes is reduced, the calculation is simplified and the computing resources are saved by setting sector sec-tion along the radial direction of blade and setting circular symmetric boundary conditions at the end of sector section. The calculation results can be used for strength calculation and analysis of power turbine components and dimension chain calculation in cold and hot state, which can be used as a reference for structural strength design and thermodynamic performance check of gas turbines.KeywordsGas Turbine, Power Turbine, Temperature Field某型燃气轮机动力涡轮静子温度场计算葛仁超1，熊曹丰收2，唐照淳21海军装备部驻沈阳地区军事代表局驻哈尔滨地区第三军事代表室，黑龙江哈尔滨2海军工程大学动力工程学院，湖北武汉收稿日期：2019年8月17日；录用日期：2019年8月26日；发布日期：2019年9月12日摘要针对燃气轮机动力涡轮工作环境恶劣、承受负荷大等特点，为保证动力涡轮可靠性运行、满足强度要求，葛仁超等对动力涡轮静子(包括第三、四机匣，第三、四级导向器等零部件)在工作时的表面温度场进行了详细的数值计算。

国产300MW汽轮机转子热应力的计算与分析_黄保海

国产300M W汽轮机转子热应力的计算与分析(250002)山东电力高等专科学校　黄保海(071003)华北电力大学　李维特摘　要　介绍了用有限单元法计算国产300M W冲动式汽轮机转子冷态启动过程中的温度场和热应力场,以计算机输出的图形形式给出了计算结果,通过对计算结果的分析,对机组运行提出了建议。

关键词　汽轮机　转子　有限单元法　温度场　热应力场　冷态启动汽轮机在启、停过程中,由于转子表面和中心孔存在温差,汽缸内外壁存在温差,在这些部位会产生热应力,热应力的大小直接影响到机组的启停速度和寿命。

大容量汽轮机一般采用双层缸结构,减薄了汽缸壁的厚度,从而减小了启停时汽缸上的热应力;而大容量汽轮机的转子直径增大,增加了启停时的内外温差,使转子热应力增大。

因此分析转子热应力在启停时的变化规律,并使之控制在合理的范围内,是制订大机组合理运行方式的依据。

考虑到汽轮机转子的结构较复杂,本文采用有限单元法求解汽轮机转子的温度场和应力场。

1　数学模型1.1　温度场数学模型根据文献〔1〕,计算机汽轮机转子的不稳定温度场时,可以认转子是一个均匀、各向同性且无内热源的物体,属于解轴对称非定常温度函数问题,温度t(z、r、S)在区域D中应满足下列偏微分方程式:5t 5S=KCp Q(52t5z2+52t5r2+1r5t5r)(1) 式中 K-材料的导热率Q-材料的密度C p-材料的比热求解该微分方程的初始条件为t(z,r)S=0=f(z,r)对汽轮机转子来说,其外表面可作为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件,即:-K5t5nû#=A(t-t f)(2)式中 A-蒸汽与转子表面的放热系数;t f-与转子表面接触的汽温。

当放热系数A=0时,式(2)化绝热边界条件,即无热交换,如转子的中心孔边界;若A→∞,则t(z,r)ûS=t f,此时由第三类边界条件转化为第一类边界条件,即被加热物体的表面温度与介质温度相等。

高炉煤气余压透平转子弯曲振动模态分析研究

ａｐｏｘｉａｔｌａｎｐｒｍｅｙｔｋｅａｓｒｅｔｔｆｅｓａｅ．Ｓｉｍｕｌａｅｏｌｔｎｕｓｙ，ｔｆｎｔｅｌｍｅｎａｌｓｓｅｕｌｓｎｄｈｅｈｅｉｉｅｅｔｎａｙｉｒｓｔａｔｍｅｓｒｄａｕｅｖａｕｅｕｒｎｏｔｒＳｎａｕａｒｑｎｃｇｅｌｓｃａｌｎｏｅｒｅｒｆｅｌｓｏｆｔｂｉｅｒｏ ’ ｔｒｌｆｅｕｅｙａｒｅｗｅｌｅｐｅｉｌｙｉｌｗｒｏｄｒｑｕｅｃｉｓ．Ｔｈｉａｅｖｎｅｓｍｙｓｒｅａｅｅｅｅｆｕｔｒｕｒｎｅｒｔ ’ ｏｄａａｌｉ．ｓａｒｆｒｎｃｏｒｆｕｅｔｂｉｏｏｒＳｍｌａｎｙｓｓＫｅｗｏｄＴＲＴ；ｍｏｄａｅｔｙｒｓ：ｌｔｓ；ｂｅｉｉａｔｏｎ；ＦＥＡｎｄｎｇｖｂｒｉ
第２６卷第４期２１０２年７月
发也没备
ＰＯＷＥＲＥＱＵＩＥＮＴＰＭ
Ｖｏ．６Ｎｏ４１２，．
Ｊｌ．２１ｕｙ０２
高炉煤气余压透平转子弯曲振动模态分析研究
王秀瑾，李汪繁，王卫国（海发电设备成套设计研究院，上海２０４）上０２０
ｔｎｔｌｕａｉｎｌｓａｔｅｓｒｄｖａｕｅｔｍａｎｔａｎｄｎｇｉａｉｒｑｎｃｒｈｅｈｅｃａｃｌｔｏｖａｕｅｎｄｈｅｍａｕｅｌｓｏｆｈｅｉｎａｕｒｌｂｅｉｖｂｒｔｏｎｆｅｕｅｙａｅｃｏｍｐｅａｒｄ．Ｔｈｅｒｓｔｈｏｔｔｈｕｒｎｅｒｏｒｓｐｐｏｔｄｏｎｔｂａｋｅｍａｘｉｔｏｄｓｂｗｅｈｅｅｕｌｓｓｗｈａｔｅｔｂｉｏｔｕｒｅｈｅｒｃｔｙｅｓｍｅｅｔｅｎｔ

调峰运行的燃气轮机联合循环汽轮机转子热应力和寿命损耗分析

第23卷　第2期　2003年4月动　力　工　程POW ER EN G I N EER I N GV o l .23N o.2　A p r .2003　文章编号:100026761(2003)022*******调峰运行的燃气轮机联合循环汽轮机转子热应力和寿命损耗分析孙　伟(深圳美视电厂,深圳518040)摘　要:介绍了调峰运行的汽轮机转子热应力的计算方法。

为了减少启动时间和提高汽轮机的安全性,拟定了热应力控制曲线及保护曲线,设定应力保护。

对转子的寿命损耗进行了分析。

图3参4关键词:燃机联合循环;汽轮机;调峰;转子;热应力;寿命损耗中图分类号:T K 474.7 文献标识码:A收稿日期:2002204208　修订日期:2002212203作者简介:孙　伟(1967.8-),男,深圳美视电厂副总工程师。

0　前言目前,由于电网峰谷差的存在,所以有很多联合循环机组用于调峰,采取的方式是早启晚停。

这种运行方式对联合循环电厂的设备,尤其是汽轮机的寿命造成了很大的影响。

因此,研究调峰用的汽轮机的寿命是一个很重要的问题。

在一般情况下,决定汽轮机寿命的关键因素是其汽缸和转子的寿命,而转子的工作条件比汽缸差,价格也比较昂贵。

所以,控制好转子的寿命也就控制了整个汽轮机的寿命[1]。

而影响转子寿命的关键因素是转子热应力高低。

本文就对控制转子热应力的方法做探讨,同时讨论转子寿命的管理方法。

1　热应力计算方法在汽轮机启停过程中,从安全性来考虑,要求启停时间尽可能长,转子所受到的加热和冷却速度尽可能慢。

这样,转子的热应力就比较小,转子的寿命也就比较长。

但从经济性来考虑,要求启停时间尽可能短。

为更好地解决这一矛盾,需要对转子热应力进行合理的控制。

通过计算机实时计算出应力值与设定的应力限制曲线进行比较,超过设定点就会触发保护动作,如低于设定点,则可以按正常速率升速加负荷等,这样就做到了两全其美。

1.1　热应力计算方法[2] 将转子近似看作圆柱体,则对热膨胀的微分方程如下:5v 5t =1r 55rr -vr(1)由此产生温差:∃v 1=v 1-v m =∑∞k =1Bk[v 1-Z k (t )](2)式中　r ——转子半径t ——时间v m ——转子平均温度v 1——转子表面温度B k ——转子几何相关系数Z ——温度不均系数由于形成温差而产生应力,所以结合公式(1)和公式(2),在计算机计算程序中所设定的系数B k 和Z k 同时充分地考虑了由于温度的突变而产生的误差。

燃气轮机性能分析报告3——透平特性的计算

动力与能源工程学院燃气轮机性能分析（报告三）学号：专业：动力机械及工程学生姓名：任课教师：2010年4月透平特性的计算一、透平特性计算的意义目前，燃气轮机已广泛应用于航空、船舶、发电等诸多领域，提高燃气轮机的性能已成为人们关注的焦点。

透平变工况通常是指转速、入口压力、温度以及出口压力的变化。

上述参数的变化将会导致级间热降的重新分配、速度三角形的变化以及流动损失的改变，最终引起涡轮级综合参数(流量、效率以及功率)的变化。

讨论变工况可以更好的了解已设计好的透平在工况变动时性能的变化(如功率、效率、扭矩等)和各参数的变化规律。

使运行时能情况明了。

一个好的透平，应该在设计工况和变工况下都是工作良好的。

在设计时，就要预先考虑变工况的性能，对于变工况运行时间较长的机组，尤其要注意到这点。

工况变动的多少，要视具体任务而定。

如机车的燃气轮机，在拖动平原地区长途特快客车时，工况就变得少，如果是站内调度车厢之用，工况就变动得多。

此外，讨论透平变工况还可以为整个装置的变动工况计算及调节控制系统设计提供必要的数据。

二、特性线获取的方法概述变工况特性曲线的决定方法分实验和计算两种。

实验法可以得到比较准确的数据，也是校核计算法是否准确的客观标准。

但实验法要有一定的设备和消耗，在机器未制造出来以前，也无法进行。

整台透平试验，要有足够大的风源，只有专门的科研生产机构才能实现。

当然，也可根据相似原理，做缩小比例的模型试验，此时就要做模型。

总之，试验费用是昂贵的。

实验法是好，但不易办到。

计算法虽准确度差点，却容易实观。

计算的方法较多，把用经验公式或类似机组的比拟方法除外，则现存的计算法基本原理都差不多。

把透平看成一个流道，以平均直径处基元级代替级，在各轴向间隙(即前述之特征截面)处满足基本方程(即连续方程、能量方程、运动方程和状态方程)，就可推算出各不同相似准则数下(如膨胀比和折合转速)，其它准则数(如效率、折合流量等)为多少。

各种方法的不同大致是由计算时选用的叶栅损失模型、简化假定和计算技巧不同造成的。

燃气轮机排气温度偏差大原因分析及应对策略

燃气轮机排气温度偏差大原因分析及应对策略发布时间：2022-08-23T04:10:36.883Z 来源：《新型城镇化》2022年17期作者：范洪妹[导读] 在燃气轮机应用过程中，因叶片和透平叶轮需要在高温环境下实现高速运行，要同步应对高温和巨大的离心应力，所以在燃气轮机运行期间，要对透平进气温度加强动态监控，保证进气温度始终在规定限定值之内。

扬州中远海运重工有限公司摘要：本文主要对燃气轮机排气温度偏差大原因分析及应对策略进行了研究，运用了案例分析法、文献调查法、资料收集法等研究方法，介绍了燃气轮机排气温度保护，围绕某船舶动力装置重型燃气轮机运行情况，针对其排气温度偏差大的问题进行原因分析，提出了相关问题的应对策略，包括处理策略和防范策略，以为相关技术人员提供一定参考。

关键词：燃气轮机；排气温度；偏差；原因；应对一、前言在燃气轮机应用过程中，因叶片和透平叶轮需要在高温环境下实现高速运行，要同步应对高温和巨大的离心应力，所以在燃气轮机运行期间，要对透平进气温度加强动态监控，保证进气温度始终在规定限定值之内。

不过因为燃气轮机有着非常高的进气温度，同时燃烧器出口部位的燃气温度场分布缺乏均匀性，很难直接对进气温度进行测量，对此，可着重监视排气温度，以间接的监测进气温度。

如果排气温度偏差大，将对设备造成伤害，并且浪费燃料，还会造成室温升高等，影响船舶正常运行。

在实际监测过程中，一旦发现燃气轮机的排气温度存在过大偏差，需及时分析原因，同步采取有效的应对策略，通过及时排除故障，促使燃气轮机尽早恢复正常运行状态。

二、燃气轮机排气温度保护燃气轮机在正常运行过程中，要合理控制燃烧室和透平温度，同时温度分布应均匀，若燃烧器发生堵塞问题，将形成环形燃烧室，燃气在其中燃烧将导致温度场分布不均匀，引发局部超温并形成冷点，使陶瓷瓦块或者是叶片的热应力缺乏均匀性。

为防止叶片以及陶瓷瓦块发生损坏问题，通常会针对排气温度设置冷热点保护功能，排气温度冷热点在监测预混燃烧器实际堵塞情况中属于一种重要手段。

SGT5-4000F燃气轮机气缸温度场及位移场分析

ｃｌｕａｉｎｕｃｍｅｉｌｓｏｄｅｉｎｄｔｎｌｌｆｌｔｎｓｒｔｔｔｕｃｕｅｄｅｉｎｆｇｓｔｒｉｓａｃｌｔｏｏｔｏｓｃｏｅｔｓｇａａａｄｗｉｌｂｅａｈｅｐｕｏｉｔｕｃｈｅｓｒｔｒｓｇｏａｕｂｎｅ．
Ｋｅｒｙｗｏｄｓ：ｆｎｔｌｍｅｔａｕｂｎａｉｉｉｅｅｅｎ；ｇｓｔｒｉｅｃｓｎｇ；ｔｍｐｒｔｒｅｄ；ｄｓｌｃｍｅｔｅｅａｕｅｆｌｉｉｐａｅｎ
燃气轮机联合循环作为一种高效率、能低耗、污染的成熟发电设备，我国正受到越来低在越多用户的青睐和选择。２００４年，海电气开上始引进西门子先进的Ｆ级燃气轮机ＳＴ — Ｇ５４０ＦＶ４３，机组机构紧凑，机功率００（９．Ａ）该单
２ｃｏｌｆｃａｉｌｎｉｅｉ，ＳａｇａＪｏｏｇＵｉｒｉＳａｇａ０２０Ｃｈａ．ＳｈｏｏＭｅｈｎａＥｇｎｒｇｈｎｈｉｉｔｎｎｅｓｙ，ｈｎｈｉ０４，ｉ）ｃｅｎａｖｔ２ｎ
Ａｂｓｒｃ：ＩｉｅｓｙｈａｃｌｔｎｏｍｐｒｔｒｎｉｐａｅｎｅｄｆｒｏｔｒｃｓｇｏＧＳ４０Ｆｇｓｔａｔｎｔｓｓａ，ｔｅｃｌｕａｉｆｔｅａｕｅａｄｄｓｌｃｍｅｔｌｕｅａｉｆＳＴ－００ａｈｏｅｉｆｏｎ
机，其本体结构的尺寸为４６× ．．４６×１．ｍ，气０７燃

汽轮机转子的传热分析和热应力计算

２．ＳｈｎａｅｃｒｃｏｗｅｒＧｅｎａｉｎＥｑｕｐｅａｇｈｉＥｌｔｉａｌＰｅｒｔｏｉｍｎｔＣｏ，ＬｔＳｈｎａｒｎａ，Ｓｈｎａｉ２０２０，Ｃｈｉａ）ｄａｇｈｉＴｕｂｉｅＰｌｎｔａｇｈ０４ｎｆｒＡｎａｙｉｎｌｕａｉｎｏｅｍａｔｅｓｏｒｉｅＲｏｏａａｓｅｌｓｓａｄＣａｃｌｔｏｆＴｈｒｌＳｒｓｆＴｕｂｎｔｒ
ＴＡＮＧｎ，ｌＩＪａＪｕ，ｉ，ＬＩＨｕ。Ｕｉ
第３９卷第３期２１００年９月
热力透平
ＴＨＥＲＭＡＬＴＵＲＢＩＮＥ
Ｖｏ．９ＮＯ３１３．
Ｓｔ２０ｅｐ０１
汽轮机转子的传热分析和热应力计算
唐军，季佳刘慧，
（．海交通大学电子信．与电气学院自动化系，海２０３；１上Ｅ－上０００２上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，海２０４）．上０２０摘要：细给出了某３０详０ＭＷ机型的汽轮机转子温度分布计算方法，导了应力计算模型并定义了有效温推
大型汽轮机在启动、停机、加减负荷等过程中，
如果变化速度不加限制，由于热应力过大而产生将
１转子温度计算模型
转子的示意图见图１按径向将转子分成，个部分（其半径差为 △ ）转子表面半径为ｒ，ｒ，轴

汽轮机汽流激振CFD数值分析与转子动力稳定性研究的开题报告

汽轮机汽流激振CFD数值分析与转子动力稳定性研究的开题报告一、研究背景与意义汽轮机是一种将热能转化为机械能的动力机械，应用广泛。

而汽流激振是指在不经意间出现的流动振动现象，对汽轮机的运行与耐久性产生了不良影响。

流动振动会导致转子的动力学不稳定，容易引起振动、损伤和事故等问题。

因此，研究汽轮机的汽流激振现象，对于提高汽轮机的运行效率和安全稳定性具有十分重要的意义。

二、研究内容和方法本研究将通过CFD数值模拟方法对汽轮机内部气流进行计算和分析，探索汽流激振现象产生的机理，并结合转子动力学模型，研究转子的动力学稳定性，并进一步分析汽流激振对汽轮机的影响。

具体的研究内容包括：1. 建立汽轮机内部气流场CFD数值模型。

2. 对气流场进行数值模拟计算，并分析气流的流动特性，探讨其与汽流激振现象的关系。

3. 基于数值计算结果，建立汽流激振模型，并分析其产生机理。

4. 结合转子动力学模型，研究汽流激振对转子动力学稳定性的影响。

5. 对计算结果进行分析和验证，并提出相应的改进措施。

三、预期成果和创新点通过本研究，可以深入探究汽流激振现象产生的机理，并研究汽流激振对转子动力学稳定性的影响。

预期成果包括：1. 建立汽轮机内部气流场CFD数值模型，分析气流的流动特性，揭示汽流激振的产生原因。

2. 建立汽流激振模型，并研究其对转子动力学稳定性的影响。

3. 分析计算结果，提出相应的改进措施，为汽轮机的设计和优化提供参考。

本研究的创新点在于：深入研究汽流激振现象和转子动力学稳定性的关系，提供全面的数值分析和计算结果，并对计算结果进行分析和验证，为汽轮机的设计和优化提供可靠的理论基础。

燃气轮机性能分析报告3——透平特性的计算

动力与能源工程学院燃气轮机性能分析（报告三）学号：专业：动力机械及工程学生姓名：任课教师：2010年4月透平特性的计算一、透平特性计算的意义目前，燃气轮机已广泛应用于航空、船舶、发电等诸多领域，提高燃气轮机的性能已成为人们关注的焦点。

透平变工况通常是指转速、入口压力、温度以及出口压力的变化。

上述参数的变化将会导致级间热降的重新分配、速度三角形的变化以及流动损失的改变，最终引起涡轮级综合参数(流量、效率以及功率)的变化。

讨论变工况可以更好的了解已设计好的透平在工况变动时性能的变化(如功率、效率、扭矩等)和各参数的变化规律。

使运行时能情况明了。

一个好的透平，应该在设计工况和变工况下都是工作良好的。

在设计时，就要预先考虑变工况的性能，对于变工况运行时间较长的机组，尤其要注意到这点。

工况变动的多少，要视具体任务而定。

如机车的燃气轮机，在拖动平原地区长途特快客车时，工况就变得少，如果是站内调度车厢之用，工况就变动得多。

此外，讨论透平变工况还可以为整个装置的变动工况计算及调节控制系统设计提供必要的数据。

二、特性线获取的方法概述变工况特性曲线的决定方法分实验和计算两种。

实验法可以得到比较准确的数据，也是校核计算法是否准确的客观标准。

但实验法要有一定的设备和消耗，在机器未制造出来以前，也无法进行。

整台透平试验，要有足够大的风源，只有专门的科研生产机构才能实现。

当然，也可根据相似原理，做缩小比例的模型试验，此时就要做模型。

总之，试验费用是昂贵的。

实验法是好，但不易办到。

计算法虽准确度差点，却容易实观。

计算的方法较多，把用经验公式或类似机组的比拟方法除外，则现存的计算法基本原理都差不多。

把透平看成一个流道，以平均直径处基元级代替级，在各轴向间隙(即前述之特征截面)处满足基本方程(即连续方程、能量方程、运动方程和状态方程)，就可推算出各不同相似准则数下(如膨胀比和折合转速)，其它准则数(如效率、折合流量等)为多少。

各种方法的不同大致是由计算时选用的叶栅损失模型、简化假定和计算技巧不同造成的。

燃气轮机透平叶片流-热-固耦合分析及蠕变寿命预测

第３１卷㊀第２期２０１８年６月«燃㊀气㊀轮㊀机㊀技㊀术»ＧＡＳＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ３１㊀Ｎｏ２Ｊｕｎ.ꎬ２０１８收稿日期:２０１８￣０３￣０１㊀改稿日期:２０１８￣０３￣１６基金项目:国家自然科学重点基金项目(Ｙ３１１３０１５Ｄ１)ꎮ作者简介:肖力伟(１９９３ )ꎬ男ꎬ河南驻马店人ꎬ硕士生ꎬ研究领域为燃气轮机透平叶片强度ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｘｉａｏｌｉｗｅｉ＠ｉｅｔ.ｃｎꎮ燃气轮机透平叶片流热固耦合分析及蠕变寿命预测肖力伟１ꎬ２ꎬ刘建军１ꎬ李晨１ꎬ２ꎬ安柏涛１ꎬ付经伦１ꎬ张晓东１(１.中国科学院工程热物理研究所ꎬ北京㊀１００１９０ꎻ２.中国科学院大学ꎬ北京㊀１０００４９)摘㊀要:本文采用流热固耦合方法ꎬ对某燃气轮机透平动叶的流场㊁温度场以及应力分布进行了计算分析ꎬ并据此对叶片的蠕变寿命进行了计算ꎬ得到了蠕变寿命云图ꎬ发现该叶片的寿命最短点与温度最高点㊁应力最大点不在同一位置ꎮ相较于传统的选取温度最高和应力最大的节点作为危险点进行寿命分析的方法ꎬ对叶片所有节点进行寿命计算ꎬ形成寿命云图的方法ꎬ能更加直观准确地找到寿命最短的位置ꎬ从而更好地评估设计方案ꎮ关㊀键㊀词:流热固耦合ꎻ透平叶片ꎻ蠕变ꎻ寿命预测中图分类号:ＴＫ４７２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００９￣２８８９(２０１８)０２￣００２３￣０６㊀㊀燃气轮机作为一种先进的动力机械ꎬ在发电㊁船舰和机车动力㊁管道增压等能源㊁国防和交通等领域得到广泛应用[１]ꎮ作为燃气轮机热端部件之一ꎬ透平转子叶片工作环境恶劣㊁结构复杂ꎬ在工作时不仅承受很大离心载荷㊁热载荷㊁气动载荷等ꎬ同时叶片还承受着燃气腐蚀㊁氧化等作用ꎬ因此是燃气轮机故障多发部件之一ꎮ目前ꎬ对透平叶片寿命进行预测的方法主要包括试验方法㊁有限元分析方法ꎮ其中ꎬ试验方法周期长ꎬ费用高ꎬ采用有限元方法ꎬ能快速㊁有效地对透平叶片寿命进行评估[２－４]ꎮ许多学者采用多场耦合的数值方法对燃气轮机透平叶片的流动㊁传热㊁应力应变及寿命进行研究ꎮＭａｆｆｕｌｌｉ等人和Ｍａｚｕｒ等人分别通过流热耦合方法研究了高压透平导叶表面温度分布ꎬ分析了叶片温度分布的影响因素[５－６]ꎮＳｉｅｒｒａ等人㊁Ｋｉｍ等人基于热固耦合方法计算了透平导叶的温度分布以及热应力分布ꎬ模拟值与实验值吻合较好[７－８]ꎮ谢永慧等采用流热固耦合的方法对某重型燃气轮机透平高压叶片的热疲劳寿命进行了研究[９]ꎮ目前常见的进行寿命评估的方法是通过有限元计算得到节点应力和应变ꎬ然后根据经验选取危险点进行寿命计算ꎬ如朱涛等对航空发动机涡轮盘的蠕变寿命进行计算时ꎬ通过静强度计算ꎬ确定等效应力最大的中心孔位置为危险点ꎬ进行寿命计算[１０]ꎻ高勇等在计算涡轮转子低循环疲劳/蠕变寿命时根据经验和应力计算结果选取了最大应力㊁最高温度等位置为危险点进行寿命计算[１１]ꎮ这样选择危险点过于依赖工程技术人员的经验ꎬ有时并不能保证准确ꎮ本文基于流热固耦合的方法ꎬ在ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ平台下ꎬ对某燃气轮机透平动叶的流场㊁温度场以及应力分布进行了计算分析ꎬ并据此对叶片的蠕变寿命进行了计算ꎬ得到了蠕变寿命云图ꎮ采用上述方法ꎬ实现对叶片所有节点的蠕变寿命计算ꎬ能更加直观准确地找到寿命最短的位置ꎬ为改进叶片设计提供依据ꎮ１㊀计算方法和计算模型１.１㊀计算方法透平叶片的应变属于小应变ꎬ叶片的变形对于流场㊁温度场的影响很小[１２]ꎬ所以本文采用单向流热固耦合(弱耦合)的方法对叶片进行应力应变分析ꎬ即先对叶片进行流热耦合计算分析ꎬ然后将流热耦合计算得到的温度和压力分布作为有限元计算的边界条件进行应力应变的求解ꎮ燃气轮机技术第３１卷㊀流热耦合数值计算ꎬ采用ＡＮＳＹＳＣＦＸ软件ꎮ湍流模型选用对换热模拟较好的ｋ￣ω￣ＳＳＴ模型ꎬ差分格式选用高阶求解ꎮ叶片应力及蠕变寿命计算ꎬ选用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件进行ꎮ基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ搭建如图１所示的计算流程ꎮ整个流程包含４个模块:１)模块１为流场计算模块ꎬ读入在ＣＦＸ中进行流热耦合计算得到的结果ꎬ主要包括温度场和气动压力场数据ꎮ２)模块２为稳态换热求解模块ꎬ读入模块１中叶片燃气侧和冷气侧表面温度分布作为热边界条件ꎬ进行导热求解ꎬ得到整个叶片的温度场ꎮ３)模块３为有限元应力计算模块ꎬ读入模块２的温度场数据和模块１的压力场数据ꎬ施加离心载荷及相应约束ꎬ求解得到叶片的应力应变ꎮ４)模块４为寿命计算模块ꎬ从模块３读入应力数据ꎬ从模块２读入温度数据ꎬ进行蠕变寿命计算ꎮ图１㊀整体计算流程示意图㊀㊀蠕变是燃气轮机热端部件在长时间运行过程中最常见的失效形式之一ꎬ本文采用拉森米勒方法进行叶片的蠕变寿命计算ꎮ拉森米勒法的方程为:Ｐ＝Ｔ(Ｃ＋ｌｇｔ)/１０００(１)式中:Ｐ为拉森米勒参数ꎻＴ为温度ꎬＫꎻＣ为拉森米勒常数ꎻｔ为蠕变断裂寿命ꎬｈꎮ«中国航空材料手册»[１３]中给出了铸造高温合金Ｋ４１７Ｇ的热强参数综合曲线ꎬ拉森米勒常数Ｃ＝２１.４ꎮ根据文献中的数据ꎬ在ｎＣｏｄｅＤｅｓｉｇｎｌｉｆｅ材料管理器中建立了相应的材料曲线ꎮ求解器根据获得的应力数据ꎬ通过材料曲线求得对应的拉森米勒常数ꎬ进而再根据温度数据计算出蠕变寿命ꎮ１.２㊀流热耦合计算模型及边界条件本文的研究对象为某型燃气轮机高压透平动叶ꎬ叶片的三维模型如图２所示ꎮ该叶片采用外部气膜冷却和内部肋结构的复合冷却形式ꎮ在叶片压力面ꎬ采用两排气膜孔进行气膜冷却ꎮ叶片内部结构如图２所示ꎬ内部有两个腔室ꎬ两个腔室底部均有冷气进气口ꎬ冷气最终由气膜孔流出并与主流掺混ꎮ计算网格在ＩＣＥＭＣＦＤ中生成ꎬ设置了流体域和固体域两个域ꎬ如图３所示ꎬ流体域既包含叶片外部燃气的流动区域ꎬ也包含叶片内部冷气的流动区域ꎮ计算网格均为非结构化网格ꎬ如图４所示ꎮ计算域主体采用四面体网格ꎬ流固耦合交界面流体边界层区采用五面体棱柱网格ꎬ如图５所示ꎬ流体域网格总量１０２０万ꎮ为了更好地计算壁面附近的流动和换热ꎬ对孔区域和流道壁面网格进行加密ꎮ(ａ)叶片几何模型㊀㊀㊀㊀(ｂ)内部冷却结构图２㊀叶片几何模型和内部冷却结构图３㊀计算域模型流热耦合计算中边界条件具体设置情况如下:(１)计算工况为设计工况ꎮ进口边界条件包括４２第２期燃气轮机透平叶片流热固耦合分析及蠕变寿命预测图４㊀整体网格布置图５㊀压力面边界层网格主流进口边界和冷气进口边界ꎬ主流及冷气进口给定总温㊁总压ꎬ出口给定静压ꎬ主流进气角为２８ʎꎬ冷气垂直进口平面进气ꎬ具体参数见表１ꎮ图６给出了进口总温的径向分布ꎬ其中横坐标为进口总温与进口平均总温之比ꎬ纵坐标为径向的相对高度ꎮ表１㊀某燃气轮机透平动叶工况叶栅进口平均总温/Ｋ叶栅进口总压/ＭＰａ叶栅出口静压/ＭＰａ冷却空气总压/ＭＰａ１３０２０.９９４０.４１２.１冷却空气总温/Ｋ转速/(ｒｍｉｎ－１)叶片金属导热系数/(Ｗｍ－１Ｋ－１)７５０９６００１４.３６图６㊀主流进口径向温度分布㊀㊀(２)流体工质选用理想可压燃气ꎬ主流及冷气进口湍流度为５％ꎮ(３)对整排动叶取其中一片的流域开展计算ꎬ流域两侧设置为周期边界ꎮ１.３㊀应力计算模型有限元网格划分均采用四面体网格ꎬ对容易产生应力集中的叶身气膜孔㊁根部倒圆以及榫齿等位置的网格进行加密ꎬ如图７所示ꎬ网格单元总数１１万ꎮ图７㊀有限元网格模型燃气轮机动叶在实际工作中主要承受离心载荷㊁热载荷㊁气动载荷ꎬ由于气动载荷相对较小ꎬ为简化计算ꎬ本文只考虑离心载荷和热载荷ꎬ忽略气动载荷的影响ꎮ应力计算的边界条件设置如下:(１)离心力边界条件给定绕旋转轴的转速为９６００ｒ/ｍｉｎꎮ(２)热边界条件流热耦合计算得到的叶片温度场ꎬ通过差值的方式传递给有限元计算网格ꎬ作为热固耦合计算中叶片的热边界条件ꎮ(３)约束边界条件燃气轮机动叶一般通过榫头与轮盘外缘的榫槽相连接ꎬ所以在榫齿与榫槽的接触面上给定无摩擦支撑ꎬ并在接触面上选取一点ꎬ约束轴向和轴向位移ꎮ如图８所示ꎮ图８㊀约束条件示意图叶片金属材料为镍基铸造高温合金Ｋ４１７Ｇꎮ计算中所需要的材料热导率㊁比热容㊁线膨胀系数和弹性模量等参数可查高温合金手册得到ꎮ５２燃气轮机技术第３１卷㊀２㊀计算结果及分析２.１㊀叶片流场和温度场分析图９~图１１给出了不同叶高截面上流场的马赫数分布ꎮ可以看到１０％叶高截面流场马赫数都在１以下ꎬ５０％叶高以及９０％叶高流场出现超音速ꎮ这可能是叶根附近复杂的涡系以及端壁的摩擦作用ꎬ使得靠近叶根区域主流流速较低ꎮ高速区域均出现在吸力面中弦至尾缘位置ꎬ并且５０％叶高截面的超音速区域要大于９０％叶高截面ꎮ可能是由于５０％叶高处主流的流动不受端壁和机匣的影响ꎬ能较好地膨胀加速ꎮ定义叶身金属温度与材料熔点温度之比为无量纲相对温度Ｔｒꎬ其中金属材料熔点温度为１５４３Ｋꎬ图１２给出了叶身及主流入口温度分布ꎮ叶根整体温度较低ꎬ叶身温度较高ꎮ叶片最高相对温度为０.７ꎬ位于叶片前缘顶部ꎬ满足强度要求ꎮ尾缘约６０％叶高位置温度较高ꎬ这与主流进口给定沿径向的温度分布有关ꎬ从图中可以看出ꎬ尾缘温度较高的位置与主流进口的高温区ꎬ径向高度相同ꎮ叶顶凹槽压力面侧与端壁前缘压力面侧温度较高ꎬ这可能是该区域接触主流高温燃气较早ꎬ同时距离冷却结构较远ꎬ冷却不足所导致的ꎮ图９㊀１０％叶高截面流场马赫数图１０㊀５０％叶高截面流场马赫数图１１㊀９０％叶高截面流场马赫数㊀㊀图１３给出了不同叶高截面的温度沿轴向的分布ꎮ从图中可以看出ꎬ不同叶高的温度分布均在压力面和吸力面呈现出前缘驻点和尾缘温度高㊁中间温度低的现象ꎮ前缘驻点是由于流动在该处滞止ꎬ速度降低导致温度上升ꎮ尾缘高温区的产生是由于尾缘自身结构狭长并且较薄ꎬ不易冷却导致的ꎮ在压力面约３０％和６０％轴向弦长位置ꎬ温度产生两次下降ꎬ这是气膜孔冷却气体产生的冷却效果引起的ꎮ总体上压力面温度高于吸力面ꎬ这是由于压力面气流速度较吸力面低ꎬ总温相同的情况下ꎬ静温就较吸力面高ꎮ在尾缘ꎬ温度存在较明显的径向分布ꎬ５０％叶高的温度明显高于其他两个截面ꎬ印证了图１２分析得出的结论ꎬ主流进口温度的径向分布ꎬ在尾缘产生了较显著的影响ꎮ图１２㊀叶身金属及主流入口温度分布６２第２期燃气轮机透平叶片流热固耦合分析及蠕变寿命预测图１３㊀不同叶高截面温度分布２.２㊀叶片应力场分析叶片在工作中主要是叶身位置与主流高温燃气直接接触ꎬ承受极大的热载荷ꎬ易发生蠕变损伤ꎬ本文在接下来的应力分析及蠕变寿命的计算都只考虑叶身ꎮ图１４给出了叶身压力面和吸力面的应力分布ꎬ可以看到叶身压力面应力整体较小ꎬ吸力面平均应力大于压力面ꎬ并且沿叶展方向逐渐减小ꎬ应力最大位置出现在吸力面７０％弦长叶身与端壁交界处ꎮ这可能与叶身结构整体向吸力面偏斜ꎬ导致吸力面与端壁呈锐角过度ꎬ并且承受比压力面更大的离心力所致ꎮ应力最大值为４３０.６３ＭＰａꎬ小于相应温度下的屈服强度５９５ＭＰａꎬ满足强度要求ꎮ图１５给出了气膜孔附近的应力分布ꎬ可以看到气膜孔附近应图１４㊀叶身应力分布图１５㊀气膜孔局部应力分布力较周边应力大ꎬ这是由于气膜孔处冷气出流ꎬ降低了此处金属的热应力ꎬ与周围金属形成了较大的应力梯度ꎬ因此产生较大的热应力ꎮ２.３㊀叶片蠕变寿命分析基于ｎＣｏｄｅＤｅｓｉｇｎｌｉｆｅ中的拉森米勒方法对透平叶片进行了蠕变寿命计算ꎬ得到如图１６所示的寿命云图ꎮ可以看到叶身与端壁连接处的高应力区ꎬ与叶顶和端壁前缘的高温区域均出现了低寿命区ꎬ这与高温和高应力易引起蠕变损伤的认识是一致的ꎮ另外ꎬ图中标出了寿命最短㊁温度最高㊁应力最大三个危险点ꎬ可以看到三者并不在同一位置ꎮ寿命最短点出现在压力面靠近叶顶附近第二排气膜孔处ꎬ温度最高点出现在尾缘大概６０％叶高位置ꎬ应力最大点出现在吸力面７０％弦长叶身与端壁交界处ꎮ同时在表２中分别列出各节点的温度㊁应力和寿命值进行对比分析ꎬ由表２数据可知ꎬ应力最大的节点ꎬ温度低于寿命最短的节点ꎻ温度最高的节点ꎬ应力值小于寿命最短的节点ꎮ这说明蠕变寿命受温度和应力共同影响ꎬ相较于传统的单纯选取温度最高或者应力最大的节点作为危险点进行寿命分析ꎬ对模型上所有节点进行寿命计算ꎬ形成寿命云图的方法能更加直观准确地找到寿命最短的位置ꎬ从而较好地指导设计和运行ꎮ图１６㊀蠕变寿命云图表２㊀计算结果对比分析ＮｏｄｅＩＤ温度/Ｋ应力/ＭＰａ寿命/ｈ温度最高节点１５３６２７１０７９.７０３０.４１７１.３５ˑ１０１０应力最大节点１８９１２８８６.８１４３０.６３０２.４７ˑ１０８寿命最短节点３３７１８９４４.８６３９６.６００４.８１ˑ１０６３㊀结论本文基于流热固耦合的方法ꎬ对某燃气轮机透平动叶的温度㊁应力场及蠕变寿命进行了计算分析ꎬ得到如下结论:７２燃气轮机技术第３１卷㊀１)透平叶片蠕变寿命受应力和温度共同影响ꎬ蠕变寿命最短的位置ꎬ并不一定是应力最大的位置或者温度最高的位置ꎮ２)相较于传统的单纯选取温度最高或者应力最大的节点作为危险点进行寿命分析ꎬ对模型上所有节点进行寿命计算ꎬ形成寿命云图的方法能更加直观准确地找到寿命最短的位置ꎬ从而更好地评估设计方案ꎮ参考文献:[１]蒋洪德ꎬ任静ꎬ李雪英ꎬ等.重型燃气轮机现状与发展趋势[Ｊ].中国电机工程学报ꎬ２０１４ꎬ２９:５０９６￣５１０２.[２]蒋洪德.燃气轮机热端部件状态检测和寿命管理[Ｃ]//中国电机工程学会.大型燃气轮机发电技术发展学术研讨会.杭州:中国电机工程学会ꎬ２００５.[３]唐学智ꎬ李录平ꎬ黄章俊ꎬ等.重型燃气轮机涡轮叶片寿命分析研究进展[Ｊ].燃气轮机技术ꎬ２０１５ꎬ２８(０３):６￣１３.[４]闫晓军ꎬ聂景旭.涡轮叶片疲劳[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ２０１４. [５]ＭＡＦＦＵＬＬＩＲꎬＨＥＬ.Ｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｆｆｅｃｔｓｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｆｏｒｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ＆Ｐｏｗｅｒꎬ２０１３ꎬ３０(４):１０８０￣１０９０.[６]ＭＡＺＵＲＺꎬＨＥＲＮáＮＤＥＺ￣ＲＯＳＳＥＴＴＥＡꎬＧＡＲＣíＡ￣ＩＬＬＥＳＣＡＳＲꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｎｊｕｇａｔｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｆａｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｆｉｒｓｔｓｔａｇｅｎｏｚｚｌｅ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００６ꎬ２６(１６):１７９６￣１８０６.[７]ＳＩＥＲＲＡＦＺꎬＮＡＲＺＡＲＹＤꎬＢＯＬＡＩＮＡＣꎬｅｔａｌ.Ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｔｈｅｒｍａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｉｎｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ[Ｒ].Ｕ.Ｓ:ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓꎬ２００９. [８]ＫＩＭＫＭꎬＰＡＲＫＪＳꎬＤＯＮＧＨＬꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｎｊｕｇａｔｅｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒꎬｓｔｒｅｓｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｉｎａｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｗｉｔｈｃｉｒｃｕｌａｒｃｏｏｌｉｎｇｐａｓｓａｇｅｓ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓꎬ２０１１ꎬ１８(４):１２１２￣１２２２.[９]谢永慧ꎬ邓实ꎬ张荻ꎬ等.基于热流固耦合分析的重型燃气轮机透平高压叶片寿命研究[Ｊ].热力透平ꎬ２０１１ꎬ(０３):１５１￣１５８. [１０]朱涛ꎬ胡殿印ꎬ王荣桥.航空发动机涡轮盘低循环疲劳￣蠕变寿命预测[Ｊ].科技创新导报ꎬ２００８(２５):８４￣８５.[１１]高勇ꎬ王延荣.涡轮转子叶片低循环疲劳/蠕变寿命的预测[Ｊ].燃气涡轮试验与研究ꎬ２００５(０２):２３￣２６.[１２]朱江江ꎬ杨自春.舰船燃气涡轮叶片三维热流固耦合应力应变分析及寿命预测[Ｊ].中国舰船研究ꎬ２０１０ꎬ(０５):６４￣６８. [１３]«中国航空材料手册»委员会.中国航空材料手册[Ｍ].北京:中国标准出版社ꎬ２００２.Ｆｌｕｉｄ￣ｔｈｅｒｍａｌ￣ｍｅｃｈａｎｉｃａｌＣｏｕｐｌｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣｒｅｅｐＬｉｆｅＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅＸＩＡＯＬｉｗｅｉ１ꎬ２ꎬＬＩＵＪｉａｎｊｕｎ１ꎬＬＩＣｈｅｎ１ꎬ２ꎬＡＮＢａｉｔａｏ１ꎬＦＵＪｉｎｇｌｕｎ１ꎬＺＨＡＮＧＸｉａｏｄｏｎｇ１(１.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００１９０ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００４９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄꎬｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｏｆａｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｆｌｕｉｄ￣ｔｈｅｒｍａｌ￣ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ.Ｔｈｅｃｒｅｅｐｌｉｆｅｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙꎬａｎｄｔｈｅｃｒｅｅｐｌｉｆｅｃｌｏｕｄｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ.Ｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｓｈｏｒｔｅｓｔｌｉｆｅｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｉｓｎｏｔａｔｔｈｅｓａｍｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｓｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓ.Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓｅｌｅｃｔｅｄｐｏｉｎｔｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｒｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓａｓｔｈｅｄａｎｇｅｒｐｏｉｎｔｆｏｒｌｉｆｅａｎａｌｙｓｉｓ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｌｉｆｅｏｆａｌｌｔｈｅｎｏｄｅｓｏｆｔｈｅｂｌａｄｅａｎｄｆｏｒｍｉｎｇｔｈｅｌｉｆｅｃｌｏｕｄｄｉａｇｒａｍｃａｎｆｉｎｄｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｓｈｏｒｔｅｓｔｌｉｆｅｍｏｒｅｄｉｒｅｃｔｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙ.Ｔｈｕｓｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｌａｎｂｅｔｔｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｆｌｕｉｄ￣ｔｈｅｒｍａｌ￣ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇꎻｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅꎻｃｒｅｅｐꎻｌｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ８２。

某型燃气轮机动力涡轮静子温度场计算

Dynamical Systems and Control 动力系统与控制, 2019, 8(4), 222-229Published Online October 2019 in Hans. /journal/dschttps:///10.12677/dsc.2019.84024Temperature Field Calculation of a CertainType of Gas Turbine Power Turbine StatorRenchao Ge1, Fengshou Xiongcao2, Zhaochun Tang21The 3rd Naval Military Representative Office in Harbin, Harbin Heilongjiang2College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan HubeiReceived: Aug. 17th, 2019; accepted: Aug. 26th, 2019; published: Sep. 12th, 2019AbstractIn order to ensure the reliability and strength of the power turbine, the surface temperature field of the power turbine stator (including the third and fourth casings, the third and fourth stage guides, etc.) is calculated in detail. In the calculation process, the number of elements and nodes is reduced, the calculation is simplified and the computing resources are saved by setting sector sec-tion along the radial direction of blade and setting circular symmetric boundary conditions at the end of sector section. The calculation results can be used for strength calculation and analysis of power turbine components and dimension chain calculation in cold and hot state, which can be used as a reference for structural strength design and thermodynamic performance check of gas turbines.KeywordsGas Turbine, Power Turbine, Temperature Field某型燃气轮机动力涡轮静子温度场计算葛仁超1，熊曹丰收2，唐照淳21海军装备部驻沈阳地区军事代表局驻哈尔滨地区第三军事代表室，黑龙江哈尔滨2海军工程大学动力工程学院，湖北武汉收稿日期：2019年8月17日；录用日期：2019年8月26日；发布日期：2019年9月12日摘要针对燃气轮机动力涡轮工作环境恶劣、承受负荷大等特点，为保证动力涡轮可靠性运行、满足强度要求，葛仁超等对动力涡轮静子(包括第三、四机匣，第三、四级导向器等零部件)在工作时的表面温度场进行了详细的数值计算。

某型AP1000核电汽轮机高压转子强度计算分析与优化改进

某型AP1000核电汽轮机高压转子强度计算分析与优化改进杨宇;汪勇;史进渊;邓志成【摘要】介绍了某型AP1000核电汽轮机高压转子的强度判据,通过对稳态运行工况和冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机5个过程的瞬态变工况的温度场与应力场计算,超速110％和超速120％工况的强度计算,验证了原设计仅在冷态启动工况存在8个部位不能满足强度判据要求.通过结构改进使得优化的最终设计方案的额定负荷强度、应力腐蚀强度、瞬态变工况强度及超速试验强度均符合强度设计判据,其强度设计合格,将有利于汽轮机长周期安全运行.【期刊名称】《发电设备》【年(卷),期】2015(029)001【总页数】4页(P7-10)【关键词】核电汽轮机;转子;强度分析;瞬态热分析【作者】杨宇;汪勇;史进渊;邓志成【作者单位】上海发电设备成套设计研究院,上海200240;上海发电设备成套设计研究院,上海200240;上海发电设备成套设计研究院,上海200240;上海发电设备成套设计研究院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TM623.1为了保证某型AP1000核电汽轮机的长周期安全运行，必须对汽轮机高压转子的强度进行计算分析和研究。

针对原设计方案完成了7项计算分析研究工作：额定负荷稳态工况温度场和应力场计算；冷态启动过程瞬态温度场和应力场计算；温态启动过程瞬态温度场和应力场计算；热态启动过程瞬态温度场和应力场计算；正常停机过程瞬态温度场和应力场计算；110%超速试验过程瞬态温度场和应力场计算；120%超速运行过程瞬态温度场和应力场计算。

经计算分析，某型AP1000核电汽轮机高压转子原设计方案在额定负荷稳态工况下的强度设计合格；在冷态启动过程有8个部位的相对应力（σeq／Rtp0.2）超标。

针对这8个部位，进行了转子结构优化改进，形成了改进方案和最终设计方案。

针对改进方案和最终设计方案分别进行了额定负荷稳态工况、瞬态变工况以及超速工况的强度计算分析，结果表明：某型AP1000核电高压转子最终设计方案的额定负荷强度、应力腐蚀强度、瞬态变工况强度及超速试验强度均符合强度设计判据，强度设计合格。

基于F级燃气轮机透平转子的热分析数值模拟

基于F级燃气轮机透平转子的热分析数值模拟冯永志;吕智强;张成义;于宁【摘要】以某型F级燃气轮机透平转子为研究对象,采用适用于透平转子热分析的物理建模方法,通过增加部分动叶和隔板结构,准确模拟透平盘顶部的热量传递.应用ANSYS软件完成了透平转子换热和热-结构耦合的数值模拟,确定了工程上透平转子热分析的流程及相应的收敛准则,具有较高的工程应用价值.【期刊名称】《燃气轮机技术》【年(卷),期】2012(025)002【总页数】3页(P48-50)【关键词】透平转子换热;热-结构耦合;热膨胀变形;等效热应力【作者】冯永志;吕智强;张成义;于宁【作者单位】哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046【正文语种】中文【中图分类】TK474.7+2透平转子是燃气轮机中的重要部件，由于高温燃气与透平叶片外表面进行强烈的换热，必然有一部分热量沿叶片根部向透平盘传递，使透平盘的温度提高、温度梯度增大。

同时，高温燃气在叶片通道中膨胀做功，经透平盘将力矩传递到透平转轴。

又由于整个转子的高速旋转，其工作条件十分恶劣。

因此，对燃气轮机透平转子进行热分析有重要意义。

以往的透平转子热分析，都是先求解燃气与叶片之间的换热，再求解叶片与透平盘之间的换热，确定透平盘顶部的边界条件，进而进行透平盘的热分析，所得结果误差较大［1］。

本文通过增加部分动叶及隔板结构进行整体建模，能够准确确定透平盘顶部的热量传递情况，避免分段传递计算产生的误差。

对透平转子的各边界施加第三类边界条件，就可以进行透平转子的换热及热-结构耦合计算，以确定透平转子温度分布情况［2-3］。

1 物理模型在进行燃气轮机透平转子热分析时，根据结构的轴对称性建立二维轴对称模型，并对其中一些非完整轴对称的结构进行等效处理。

为了模拟燃气-叶片-透平盘之间的热量传递过程，准确确定动叶底部部分的温度，在建立二维轴对称模型时增加25%的动叶部分以及第二级和第三级隔板部分，并对透平风扇进行处理，使得整个透平转子成为一个完整的计算域。

燃气轮机透平叶片流热固耦合分析及蠕变寿命预测

燃气轮机透平叶片流热固耦合分析及蠕变寿命预测肖力伟;刘建军;李晨;安柏涛;付经伦;张晓东【摘要】本文采用流热固耦合方法,对某燃气轮机透平动叶的流场、温度场以及应力分布进行了计算分析,并据此对叶片的蠕变寿命进行了计算,得到了蠕变寿命云图,发现该叶片的寿命最短点与温度最高点、应力最大点不在同一位置.相较于传统的选取温度最高和应力最大的节点作为危险点进行寿命分析的方法,对叶片所有节点进行寿命计算,形成寿命云图的方法,能更加直观准确地找到寿命最短的位置,从而更好地评估设计方案.【期刊名称】《燃气轮机技术》【年(卷),期】2018(031)002【总页数】6页(P23-28)【关键词】流热固耦合;透平叶片;蠕变;寿命预测【作者】肖力伟;刘建军;李晨;安柏涛;付经伦;张晓东【作者单位】中国科学院工程热物理研究所,北京 100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院工程热物理研究所,北京 100190;中国科学院工程热物理研究所,北京 100190;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院工程热物理研究所,北京 100190;中国科学院工程热物理研究所,北京 100190【正文语种】中文【中图分类】TK472燃气轮机作为一种先进的动力机械，在发电、船舰和机车动力、管道增压等能源、国防和交通等领域得到广泛应用[1]。

作为燃气轮机热端部件之一，透平转子叶片工作环境恶劣、结构复杂，在工作时不仅承受很大离心载荷、热载荷、气动载荷等，同时叶片还承受着燃气腐蚀、氧化等作用，因此是燃气轮机故障多发部件之一。

目前，对透平叶片寿命进行预测的方法主要包括试验方法、有限元分析方法。

其中，试验方法周期长，费用高，采用有限元方法，能快速、有效地对透平叶片寿命进行评估[2-4]。

许多学者采用多场耦合的数值方法对燃气轮机透平叶片的流动、传热、应力应变及寿命进行研究。

Maffulli等人和Mazur等人分别通过流热耦合方法研究了高压透平导叶表面温度分布，分析了叶片温度分布的影响因素[5-6]。

QD128燃气轮机动力涡轮盘组件温度场计算及静强度分析

QD128燃气轮机动力涡轮盘组件温度场计算及静强度分析宋文超;陈英涛;徐让书;权立宝【摘要】动力涡轮盘作为燃气轮机的关键部件,其结构较为复杂,且承受着复杂的热载荷及机械载荷,在局部区域有可能出现较大的应力,从而导致各种失效故障为保证其正常可靠工作,在盘体设计时首先要满足静强度要求.基于有限元法计算涡轮盘组件在最大载荷状态下的应力分布,分析了热载荷、机械载荷及螺栓预紧力对轮盘应力的影响,为涡轮盘组件的改进提供了理论依据.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2015(028)006【总页数】4页(P45-48)【关键词】燃气轮机;动力涡轮盘;有限元分析;流-固-热耦合模型;温度场;静强度校核【作者】宋文超;陈英涛;徐让书;权立宝【作者单位】沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司,沈阳110031;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110034;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110034;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110034【正文语种】中文【中图分类】TK472QD128燃气轮机是我国自行研制的首台拥有自主知识产权的中档功率轻型燃气轮机，由昆仑发动机改型而来，主要用于发电。

该燃气轮机Ⅰ级、Ⅱ级动力涡轮盘原结构采用K438材料加工而成，目前该种材料在市场不易采购且价格较高，不利于改型燃气轮机的推广。

为此，本文基于有限元法，针对Ⅰ级、Ⅱ级动力涡轮盘组件进行盘改材料静强度计算。

通过给定条件，首次以Ⅰ级、Ⅱ级动力涡组件的形式计算其温度场，得到新材料下涡轮盘的强度，为涡轮盘变更设计提供理论参考。

QD128燃气轮机有2级动力涡轮盘，Ⅰ级、Ⅱ级涡轮叶片数均为97，Ⅰ级、Ⅱ级导向器叶片数均为85，涡轮盘外缘均布97个榫槽。

第Ⅰ级涡轮盘前侧有篦齿封严突缘及平衡配重组件安装槽突缘。

两级动力涡轮盘之间有一个级间篦齿封严圈，封严圈与两级涡轮盘之间以套接方式相连。

燃气轮机透平盘腔流动换热及轮盘热固耦合特性数值研究

燃气轮机透平盘腔流动换热及轮盘热固耦合特性数值研究王培宇;张鑫磊;张荻;苏鹏飞;谢永慧;孔祥林
【期刊名称】《中国电机工程学报》
【年(卷),期】2024(44)4
【摘要】针对燃气轮机安全运行问题,为保证盘腔良好冷却效果以及轮盘强度可靠性,该文对盘腔流动换热以及轮盘热固耦合特性进行数值研究。

建立三级轮盘盘腔分析模型,对比转速及流量对盘腔流动换热特性的影响。

基于流动换热结果分析轮盘应力及变形特性。

结果表明:当转速增大时,各腔室内压力损失降低,换热面努塞尔数(Nu)呈现下降趋势,最多降低约66.1%;而当流量增大时,各腔室内压力损失升高,部分换热面Nu呈现上升趋势,最多升高约198%。

在多种载荷综合作用下,轮盘最大等效应力为996.06 MPa,最大径向变形为2.62 mm。

结果可为保证燃气轮机轮盘安全性提供一定技术支撑及数据参考。

【总页数】9页(P1460-1467)
【作者】王培宇;张鑫磊;张荻;苏鹏飞;谢永慧;孔祥林
【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院;东方电气集团东方汽轮机有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TK47
【相关文献】
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3.多股自耦合射流相干流动和换热特性数值研究
4.有预旋进气转静盘腔中的流动和换热特性数值研究
5.矩形换热通道流动与强化换热特性数值模拟研究
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