基于流热固耦合方法的燃气轮机透平叶片强度与寿命分析

发布时间：2020-10-11 16:04

　　 燃气轮机作为现代高端动力装备,在军民各领域都得到广泛应用。随着对燃气轮机循环热效率和比功率的要求越来越高,透平前温度不断提高,目前先进燃气轮机的透平前温度已经可以达到1800K。燃气轮机透平叶片长期工作在高温、高压、高转速的环境中,加之叶片内部冷却结构复杂,其应力状态极为复杂,成为燃机中最易发生故障的部件之一。在现代透平叶片设计中,必须综合考虑其气动、强度和寿命等各方面性能,才能满足燃机设计的长寿命、高可靠性要求。本文针对某燃气轮机高压透平动叶进行了流热固耦合数值模拟研究,并在此基础上对其静强度和蠕变寿命进行计算分析。首先通过流热耦合模拟,对透平第二级动叶气热特性进行了计算分析。结果表明,叶片金属最高温度约为高温合金材料熔点的70%,位于叶片前缘顶部。叶片主流进口的温度分布对叶片尾缘金属温度分布产生了比较明显的影响,使得尾缘温度分布呈现中间高,两端低的特点。在气热耦合计算结果的基础上,基于热固耦合的方法,对高压透平两级动叶片进行了热弹塑性有限元计算,求解得到其应力应变场。结果表明:1)两级叶片的高应力区主要在榫头位置,叶身和端壁的应力相对较小,并且都在第一榫齿处发生了应力集中,应力集中点的应力均超过了相应温度下的材料屈服强度,应当引起注意。2)离心载荷对两级动叶片的应力分布影响显著。在离心力及离心力形成的弯矩作用下,两级叶片的等效应力均出现了沿径向减小以及吸力面大于压力面的分布趋势。3)温度载荷对气膜孔以及尾缘等温度梯度大的区域的应力分布影响比较明显。在获得了温度和应力结果之后,采用拉森-米勒参数法对两级动叶片的蠕变寿命进行了计算,得到了蠕变寿命分布云图。结果表明:第一级动叶金属温度较高,其蠕变寿命受温度影响大于应力影响,低寿命区域主要发生在叶身的高温区;而二级动叶的蠕变寿命受两者影响程度接近,压力面受温度影响较大,吸力面受应力影响较大。此外,两级动叶片的寿命最短位置都不是应力最大位置或者温度最高位置,说明蠕变寿命受温度和应力共同影响,采用形成寿命云图的处理方法能更加准确直观地找到蠕变寿命最短的位置。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK473
【部分图文】：

?２０３５??Ｙｅａｒ??图１．１透平进口温度发展趋势—??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｔｒｅｎｄ?ｏｆ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｉｎｌｅｔ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??透平叶片作为高温、高载荷、结构复杂的典型热端部件，其性能和可靠性直??接关系到发动机的性能、耐久性、可靠性和寿命，透平叶片的寿命对整个发动机??的寿命有着极大的影响。据统计，在发动机零部件的失效试件中，转子叶片占??７０％?以上［１３］。??／?Ａｅｒｏ?Ｄｅｓｉｇｎ?、．?＇、?ｙ?Ｉ?Ｌｉｆｅ?＼??？?Ｆｌｏｗｐａｔｈ?）?＾?＾?｜?．?Ｍｉｓｓｉｏｎ?ｍｉｘ?］??＼?－Ａｉｒｆｏｉｌｓ?／?＼?－ＬＣＦ??Ｃｏｓｔ?Ｒｃｐａｉｒａｂｌｌｉｔｙ?＼??＞—、?』?，—Ａ??／?＼?Ｃｏｍｒｒ｜ｏｎａＵｔｙ?Ｓｅｒｖｉｃｉｎｇ?／?＼??！?Ｍａｔｅｒｉａｌｓ?、?／?Ａｅｒｏ＊?＼??？?Ｂａｓｅ?ｍｅｔａｌ?Ｍａｎｕｌｊｔ?ｌｕｒｉｎｇ?Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ?ｉ?Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?＇??ｉ?？?Ｃｏａｔｉｎｇｓ?ｊ?＼?？?ＨＣＦ?ｊ??＼?？?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ?Ｊ?＼?？?Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ?Ｊ??、?Ｔｈｅｒｍａｌ?／??＼：?Ｄｅｓｉｇｎ?＾?Ｍｅｃｈ．?ＤｃＭ〇ｎ?＼?．??？?－Ｂｕｌｋ?Ｔｅｍｐ?Ｉ?？Ｓｔｒｅｓｓｅｓ?ｊ??＼?？?Ｍａｘ．Ｔ?／?Ｖ?？?Ｃｒｅｅｐ?ｊ??％?Ｗｃ??图１．２透平设计循环图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｃｙｃｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｄｅｓｉｇｎ??透平叶片的设计集中体现着高可靠性、长寿命和轻量化于一身的特点

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固体应力应变相互作用的热－固耦合，以及流场、温度场和结构应力应变三者相??互作用的流－热－固耦合问题。每一种耦合关系在其发展过程中，都各自形成了相??应的独立学科分支，其相互关系如图１．３所示。??传热??热流体学ｆ广＾＾＾＼弹性力学??／?（＾）?＼???????流动?结构??Ｊ?气动弹性力学?一＿———??图１．３流热固多场耦合分类??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｆｌｕｉｄ－ｔｈｅｒｍａｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｍｕｌｔｉ?ｆｉｅｌｄｓ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ?ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ??从计算方法的角度来看，多场耦合又可以分为强耦合和弱耦合。强耦合在流??体域和固体域同时求解方程组的各类方程，这种方法计算稳定，不存在时间滞后??问题，但计算花费巨大。而弱耦合则是采用每个增量步内交替求解各个物理量的??控制方程，并在各场的交界面通过差值运算交换信息。这种在每个增量步内解耦??的弱耦合解法在物理量梯度大的情况下，可能会引起求解不稳定。但该方法的优??势在于，各物理量求解过程相互独立，可以最大化地利用己有数值分析的方法和??程序，缩短计算时间，??根据耦合交界面处数据传递的方向
【参考文献】

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本文编号：2836813