燃氣輪機輪盤設(shè)計技術(shù)及常見故障

1、燃氣輪機輪盤設(shè)計技術(shù)及常見故障題目：現(xiàn)在船用姓名： 王躍飛 現(xiàn)在船用燃氣輪機輪盤是在高溫環(huán)境下工作的高速旋轉(zhuǎn)部件，燃氣輪機 渦輪盤工作條件惡劣.其不僅要承受高轉(zhuǎn)速帶來的較大的外 載荷，而且還要承受沿徑向和軸向的較大溫差引起的熱應(yīng)力，以及發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速和溫度 變化引起的疲勞應(yīng)力，因此在燃氣輪機的設(shè)計中，了解高速 旋轉(zhuǎn)輪盤的應(yīng)力和變形問題十分重要，渦輪盤的設(shè)計質(zhì)量及其安全性直接影響發(fā)動機的性能和工作壽命。渦輪盤設(shè)計要求高、難度大。因而一直是發(fā)動機設(shè)計中 的一個重要課題。傳統(tǒng)的發(fā)動機渦輪盤設(shè)計過程為基于初始 模型的改進與改型。其中大部分設(shè)計屬于經(jīng)驗設(shè)計范疇，設(shè) 計周期長，成本高。另外于受設(shè)備條件的限

2、制，大型高溫合金鍛件面臨的主 要困難有以下幾個方面：1、國內(nèi)不具備擠壓開坯設(shè)備，如何克服合金熱加工塑 性差、快鍛機能力有限、單向壓應(yīng)力和兩向拉應(yīng)力的變形條 件容易形成裂紋等困難，實現(xiàn)錠型的開坯。2、如何在模鍛設(shè)備能力不足的條件下，通過優(yōu)化工藝 條件，實現(xiàn)成形過程，獲得優(yōu)良的微觀組織和力學性能。在快鍛機上采用單向拔長、反復(fù)鐓拔、直接鐓鍛開坯等形式，達到破碎鑄態(tài)組織的目的，實現(xiàn)了快鍛開坯。采取坯 料中心掏孔，增大模具圓角，復(fù)合包套技術(shù)強化保溫，縮短 轉(zhuǎn)移時間來提高鍛造溫度，降低設(shè)備載荷，降低變形速度， 使用玻璃潤滑劑降低流變應(yīng)力等措施，在3萬噸模鍛水壓機和100噸/米對擊錘上成功模鍛出直徑1200

3、mm的合金渦輪 盤。當今大多數(shù)現(xiàn)代發(fā)動機中，用于冷卻渦輪葉片的冷氣先 對渦輪盤進行冷卻，然后經(jīng)渦輪盤外緣的榫槽再進入葉片內(nèi) 冷通道.同時，還有一部分冷氣從篦齒封嚴裝置中泄漏到主 燃氣通道中，因此，這就形成了一股進流兩股出流的流動結(jié) 構(gòu)。另外分別用高強度拉桿把壓氣機輪盤和透平輪盤聯(lián)接成 壓氣機轉(zhuǎn)子和透平轉(zhuǎn)子，兩者再在靠背輪處用高強度螺栓聯(lián) 成燃氣輪機轉(zhuǎn)子，從而有良好的冷卻效果。為了選用較低廉的金屬材料，并保證輪盤的機械強度 各級透平葉輪、葉輪間距塊和后幾級壓氣機葉輪輪盤都要進 行超速和預(yù)應(yīng)力試驗盤腔內(nèi)的壓力特性是計算渦輪軸向力 和防止燃氣入侵的重要參數(shù)。對單出口盤腔內(nèi)的壓力分布國 內(nèi)外展開了一定

4、的研究。主要是研究了轉(zhuǎn)靜系的速度和靜壓分布以及防止燃氣入侵所需的最小冷卻流量。通過研究盤腔 內(nèi)的靜壓特性，評價了多種不同的封嚴結(jié)構(gòu)。但他們對多出 口盤腔系統(tǒng)的壓力特性尚未展開充分的研究。針對轉(zhuǎn)靜盤結(jié) 構(gòu)的流動特性進行了實驗研究，其結(jié)果將為實際的發(fā)動機設(shè)計提供一定的依據(jù)。于對輕型燃氣輪機的需求日益增加，在滿足盤的強度要 求情況下，尋求盤的質(zhì)量最小化，使得人們不得不把輪盤的 厚度設(shè)計得不均勻，以便進行載荷優(yōu)化。但是，支配旋轉(zhuǎn)輪 盤形狀的基本方程是非線性的，這就使得求解十分困難。但 是，薄的旋轉(zhuǎn)輪盤的基本微分方程可以簡化為變系數(shù)二階線 性方程，并可作為一階方程來處理，用正交法簡化積分。在 沒有任何附

5、加數(shù)學假設(shè)的情況下，上述這些簡化都可能實現(xiàn)，其計算結(jié)果在薄的輪盤理論范圍內(nèi)是足 夠精確的。圖1輪盤結(jié)構(gòu)圖圖2拉伸裂紋擴展燃氣輪機輪盤是關(guān)鍵部件之一，輪盤的工作條件惡劣， 運行時受到很高的離心載荷以及氣動力作用，確定其結(jié)構(gòu)、 載荷、材料特性等對壽命的影響是十分重要的，所以在渦輪 盤的設(shè)計中還必須考慮防止輪盤的破裂。輪盤的破裂主要有 兩種形式：沿輪盤徑向方向任意圓環(huán)截面的徑向環(huán)裂和沿周 向的破裂。為了防止輪盤周向發(fā)生破裂，要求輪盤的平均周 向應(yīng)力滿足破裂轉(zhuǎn)速設(shè)計要求。當裂紋前端建立起塑性區(qū) 后，尖端的銳角會變鈍，減輕了應(yīng)力集中的程度，而于周圍 材料的彈性收縮形成的壓應(yīng)力又使裂紋擴展受到限制。尤其

6、是環(huán)形塑性變形區(qū)內(nèi)的缺陷，于應(yīng)力的減小，裂紋更不容易 擴展。在熱態(tài)時對有裂紋試件加載，試件在低溫材料變脆條 件下的破壞應(yīng)力會伴隨熱態(tài)時的加載程度而變化，載荷愈大 破壞時所需的應(yīng)力也愈大。輪盤部件超速預(yù)應(yīng)力技術(shù)處理是燃氣輪機生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝。通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)處理降低了輪盤的最大工作應(yīng)力，增 強了轉(zhuǎn)子的工作可靠性，延長了機組壽命。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù) 可以使輪盤做的更大，更薄，更輕，有益于提高機組出力、 減少漏氣損失、提高機組效率。可采用易加工、價格較便宜 的中等強度合金鋼代替難加工、價格昂貴的高強度合金鋼，降低機組制造成本，增強市場競爭能力。隨著燃氣輪機單機 容量的不斷提高，輪盤部件超速預(yù)應(yīng)力技術(shù)也將會得

7、到更廣 泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代燃氣輪機，無論壓氣機盤還是渦輪盤都盡可能做得 薄,容易引起振動。在轉(zhuǎn)子葉片振動和顫振分析中要考慮輪 盤振動的影響，在設(shè)計或排故中經(jīng)常要了解盤的動力特性,因此輪盤的動力特性越來越受到重視。與葉片相比，輪盤是 簡單的對稱結(jié)構(gòu)，用以安裝葉片和傳遞葉片和軸的扭矩。作 為燃機的一個部件，一個典型盤的振動形式取決于輪盤的柔 度。于是圓形結(jié)構(gòu)，輪盤的振動模態(tài)通常表現(xiàn)為帶有節(jié)徑和 節(jié)圓的以下三種振動形式：1、節(jié)圓振動（傘形振動）；2、節(jié)徑振動；3、節(jié)徑和節(jié)圓的復(fù)合振動。節(jié)圓振動頻率較低，低頻激振力可能激起共振，在實驗 室容易作出。復(fù)合振動于頻率高，維持這種振動所需能量大。這些模態(tài)可以相對

8、固定到輪盤上或與轉(zhuǎn)子運動方向相同或 相反。旋轉(zhuǎn)盤中通常觀察到的是行波振動。后波角速度與轉(zhuǎn) 子角速度相同時，靜止觀察者看到的是一個不隨時間變化的 空間靜止波-駐波。此時輪盤的轉(zhuǎn)速為駐波臨界轉(zhuǎn)速。在燃 氣輪機中，大小不變的偏心軸向力較之激起盤其它振動的交變力更容易出現(xiàn)，而且數(shù)值較大。駐波臨界轉(zhuǎn)速時，盤的振動很大，容易引起輪盤損壞。因此設(shè)計盤時應(yīng)避免輪盤駐波 臨界轉(zhuǎn)速在工作范圍內(nèi)出現(xiàn)。另外早期燃氣輪機輪盤較厚，輪盤本身固有振動頻率相 對于葉片而言很高，因而可以忽略輪盤的彈性，而只考慮根部固支或其它邊界條件下葉片的振動。但是隨著輪盤型面的 減薄，葉片與輪盤的耦合作用必須加以考慮，因此把葉片輪盤作為一個完整的耦合系統(tǒng)來研究其固有振動特性是十分 必要的。對高壓渦輪盤結(jié)構(gòu)進行靜力學優(yōu)化，在簡化渦輪盤基本 輪廓的基礎(chǔ)上建立渦輪盤軸對稱模型：并在考慮渦輪盤實際 工作條件下溫度場、葉片和榫塊離心力的基礎(chǔ)上.利用ANSYS進行有限元分析。最后通過BOSS平臺調(diào)用ANSYS進行結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化。優(yōu)化重點是輻板和盤彀部分，設(shè)計變量是這一部 分的尺寸變量。根據(jù)渦輪盤子午面形狀，同時考