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1.引言
某型燃?xì)廨啓C(jī)是我國(guó)自行研制的首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中檔功率輕型燃?xì)廨啓C(jī)，由昆侖發(fā)動(dòng)機(jī)改型而來(lái)，主要用于發(fā)電。該燃?xì)廨啓C(jī)I級(jí)、II級(jí)動(dòng)力渦輪盤(pán)原結(jié)構(gòu)采用K438材料加工而成，目前該種材料在市場(chǎng)不易采購(gòu)且價(jià)格較高，不利于改型燃?xì)廨啓C(jī)的推廣。為此，本研究是基于有限元法，針對(duì)I級(jí)、II級(jí)動(dòng)力渦輪盤(pán)組件進(jìn)行盤(pán)改材料靜強(qiáng)度分析計(jì)算。通過(guò)給定條件，首次以I級(jí)、II級(jí)動(dòng)力渦組件的形式計(jì)算其溫度場(chǎng)，得到新材料下渦輪盤(pán)的強(qiáng)度，為渦輪盤(pán)變更設(shè)計(jì)提供理論參考。
2.燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)
燃?xì)廨啓C(jī)有2級(jí)動(dòng)力渦輪盤(pán)，I級(jí)、II級(jí)渦輪葉片數(shù)均為97 , I級(jí)、II級(jí)導(dǎo)向器葉片數(shù)均為85，渦輪盤(pán)外緣均布97個(gè)樺槽。第I級(jí)渦輪盤(pán)前側(cè)有蓖齒封嚴(yán)突緣及平衡配重組件安裝槽突緣。兩級(jí)動(dòng)力渦輪盤(pán)之間有一個(gè)級(jí)間蓖齒封嚴(yán)圈，封嚴(yán)圈與兩級(jí)渦輪盤(pán)之間以套接方式相連。16個(gè)聯(lián)接螺栓將兩級(jí)渦輪盤(pán)及主軸組件通過(guò)套齒相連。
燃?xì)廨啓C(jī)工作過(guò)程中，動(dòng)力渦輪盤(pán)承受的載荷主要有：葉片、樺頭及輪盤(pán)本身的質(zhì)量離心力，輪緣部位與輪盤(pán)中心部位的溫度梯度，氣動(dòng)載荷(由葉片傳來(lái)的氣體力和輪盤(pán)前、后端面上的氣體壓力)，葉片及輪盤(pán)運(yùn)行中振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷，盤(pán)與軸連接處的裝配應(yīng)力等。其中氣動(dòng)載荷、振動(dòng)載荷對(duì)輪盤(pán)的靜強(qiáng)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(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)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(qiáng)度1310 MPa，線膨脹系數(shù)13.5x10-6。
3.計(jì)算模型建立
考慮到渦輪盤(pán)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(jiǎn)化為96，級(jí)間蓖齒封嚴(yán)圈上的40個(gè)中4.8孔按等效流通能力條件簡(jiǎn)化為均布的32個(gè)中5.0孔。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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?yàn)橛?jì)算域，并包含6個(gè)完整的工作葉片和葉柵通道。
4.溫度場(chǎng)計(jì)算
建立合理的動(dòng)力渦輪盤(pán)溫度場(chǎng)計(jì)算模型，是獲得可靠強(qiáng)度分析結(jié)論的重要技術(shù)保證。為得到滿足渦輪盤(pán)強(qiáng)度計(jì)算要求精度的溫度分布，本研究建立了包括渦輪燃?xì)饬鞯馈⒗鋮s空氣腔、渦輪工作葉片和渦輪盤(pán)的流-固-熱耦合模型。
動(dòng)力渦輪中，基本傳熱過(guò)程是燃?xì)馔ㄟ^(guò)動(dòng)力渦輪葉片將熱量傳給渦輪盤(pán)，渦輪盤(pán)再將熱量傳給冷卻空氣。因此，動(dòng)力渦輪盤(pán)溫度場(chǎng)計(jì)算模型的計(jì)算域，應(yīng)包括渦輪盤(pán)、渦輪工作葉片、燃?xì)饬鞯篮屠鋮s空氣腔，見(jiàn)圖。
作為流-固-熱耦合計(jì)算模型，計(jì)算網(wǎng)格應(yīng)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(yīng)滿足基于求解RAMS的湍流模型對(duì)單元尺寸的要求，特別是對(duì)近壁區(qū)湍流速度、溫度分布精確計(jì)算的要求，應(yīng)滿足近壁區(qū)處理方法對(duì)壁面了的要求，固體區(qū)網(wǎng)格則主要應(yīng)與溫度和熱流通量分布相適應(yīng)。
速度著色的流線表示，渦輪盤(pán)、葉片、機(jī)匣等固體部分顯示了表面和子午面的溫度，燃?xì)馔ǖ廊肟诤统隹陲@示為燃?xì)鉁囟取?br />
渦輪盤(pán)強(qiáng)度采用有限元法(FEM)計(jì)算，需將流-固-熱耦合CFD模型計(jì)算所得渦輪盤(pán)和封嚴(yán)圈溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)向FEM結(jié)構(gòu)分析模型映射。導(dǎo)入并映射溫度場(chǎng)后的渦輪盤(pán)和封嚴(yán)圈有限元模型如圖所示。
動(dòng)力渦輪出口溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如表所示，可見(jiàn)二者偏差較小，表明計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果可信。
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