宋文超，陳英濤，徐讓書，權(quán)立寶

（1.沈陽黎明航空發(fā)動機集團有限責任公司，沈陽110031；2.沈陽航空航天大學遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，沈陽110034）

QD128燃氣輪機動力渦輪盤組件溫度場計算及靜強度分析

宋文超1，陳英濤2，徐讓書2，權(quán)立寶2

（1.沈陽黎明航空發(fā)動機集團有限責任公司，沈陽110031；2.沈陽航空航天大學遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，沈陽110034）

動力渦輪盤作為燃氣輪機的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)較為復雜，且承受著復雜的熱載荷及機械載荷，在局部區(qū)域有可能出現(xiàn)較大的應(yīng)力，從而導致各種失效故障。為保證其正?？煽抗ぷ?，在盤體設(shè)計時首先要滿足靜強度要求?；谟邢拊ㄓ嬎銣u輪盤組件在最大載荷狀態(tài)下的應(yīng)力分布，分析了熱載荷、機械載荷及螺栓預緊力對輪盤應(yīng)力的影響，為渦輪盤組件的改進提供了理論依據(jù)。

燃氣輪機；動力渦輪盤；有限元分析；流-固-熱耦合模型；溫度場；靜強度校核

1　引言

QD128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，本文基于有限元法，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(shè)計提供理論參考。

2　QD128燃氣輪機結(jié)構(gòu)

QD128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個榫槽。第Ⅰ級渦輪盤前側(cè)有篦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篦齒封嚴圈，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、榫頭及輪盤本身的質(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），葉片及輪盤振動時產(chǎn)生的動載荷，盤與軸連接處的裝配應(yīng)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，所以本文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。

本文所選GH4169高溫合金為餅材，其材料參數(shù)［1］為：密度8.24 kg/cm3，彈性模量193 GPa，泊松比0.3，屈服強度1 310 MPa，線膨脹系數(shù)13.5×10-6。

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，級間篦齒封嚴圈上的40個?4.8孔按等效流通能力條件簡化為均布的32個?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，本文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［2］。

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(yīng)包括渦輪盤、渦輪工作葉片、燃氣流道和冷卻空氣腔，見圖1。

圖1　動力渦輪盤溫度場計算域Fig.1 Temperature field calculation domain

作為流-固-熱耦合計算模型，計算網(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RANS的湍流模型對單元尺寸的要求［3］，特別是對近壁區(qū)湍流速度、溫度分布精確計算的要求，應(yīng)滿足近壁區(qū)處理方法對壁面y+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)［4］。計算域網(wǎng)格采用計算流體動力學（CFD）網(wǎng)格劃分程序Gambit2.4劃分，見圖2。

圖2　動力渦輪盤溫度場計算域網(wǎng)格Fig.2 Temperature field computational domain grid

圖3　動力渦輪燃氣和冷卻空氣流動及渦輪盤溫度場Fig.3 Power turbine gas，cooling air flow and temperature field of turbine disc

圖3示出了計算模型的動力渦輪燃氣和冷卻空氣流動及渦輪盤溫度場概況。圖中，流動情況用以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［5］。導入并映射溫度場后的渦輪盤和封嚴圈有限元模型如圖4所示。

圖4　導入溫度場的渦輪盤和封嚴圈的有限元模型Fig.4 FEM model of turbine disc and seal ring with temperature field

動力渦輪出口溫度計算值與實測值的對比如表1所示，可見二者偏差較小，表明計算模型和計算結(jié)果可信。

表1　動力渦輪出口溫度計算值與實測值的對比Table 1 Calculated vs.measured values of the outlet temperature of the power turbine

5　靜強度計算

5.1載荷及邊界

利用ANSYS15.0軟件可進行多物理場計算分析的特點，基于溫度場計算結(jié)果，對Ⅰ級、Ⅱ級動力渦輪盤的結(jié)構(gòu)強度進行計算。計算網(wǎng)格如圖5所示。

圖5　動力渦輪盤組件網(wǎng)格劃分Fig.5 Grid division of power turbine disc

選取輪盤最大工作狀態(tài)轉(zhuǎn)速進行計算分析。計算轉(zhuǎn)速為4 700 r/min時動力渦輪的應(yīng)力分布。

葉片離心載荷：葉片離心載荷由公式Fc=mRω2計算，式中m為葉片質(zhì)量，R為葉片質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的徑向距離，ω為角速度。根據(jù)葉片參數(shù)，葉片與輪盤的連接屬樅樹型榫頭連接，共有3對齒接觸，渦輪盤上每個齒的接觸表面積分別為S1、S2、S3。根據(jù)設(shè)計轉(zhuǎn)速計算出的作用于輪盤上的葉片離心力平均分配到榫齒棒槽的3對齒面上，且擠壓面與水平方向的夾角為37.5°，則各個齒面上的分布壓力為174.2 MPa和142.5 MPa。

螺栓預緊力：Ⅰ級、Ⅱ級渦輪盤通過16個M20 mm螺栓連接，螺栓預緊力會影響盤的應(yīng)力，本文在螺栓連接處施加40 kN預緊力。

邊界條件：由于模型針對1/16的渦輪盤體進行計算，需要建立柱坐標，對模型側(cè)端面施加循環(huán)對稱約束［6］，保證計算模型的整體性和周期性。

位移約束：由于施加預緊力后需保持結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生剛體位移，在第Ⅱ級輪盤端齒平面施加無摩擦約束。

5.2應(yīng)力計算結(jié)果

圖6為動力渦輪盤組件在最大工況下的等效應(yīng)力云圖，可見整個輪盤的最大應(yīng)力分布在Ⅰ級渦輪盤螺栓連接內(nèi)孔處，最大值為680 MPa。

圖6　動力渦輪盤組件等效應(yīng)力分布Fig.6 Equivalent stress distribution of a power turbine disc assembly

圖7示出了Ⅰ級渦輪盤榫槽處的應(yīng)力分布，可見Ⅰ級渦輪盤榫槽處應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力集中在第3個榫槽根部，為457 MPa。

圖7?、窦墑恿u輪盤榫槽應(yīng)力分布Fig.7 The mortise stress distribution of the first-stage power turbine disc

表2示出了根據(jù)上述計算結(jié)果，渦輪盤在最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)下工作時，對Ⅰ級、Ⅱ級動力渦輪盤應(yīng)力集中點數(shù)值所作的統(tǒng)計。

表2　動力渦輪盤應(yīng)力集中點統(tǒng)計Table 2 The statistic of the stress concentration point of the power turbine disc

從圖8中可以看出，Ⅰ級動力渦輪盤在最大工況下（無熱載荷），最大等效應(yīng)力在輪盤螺栓內(nèi)孔邊緣，為639 MPa。

圖8　Ⅰ級動力渦輪盤在無熱載荷條件下的等效應(yīng)力分布Fig.8 Equivalent stress distribution of the first-stage power turbine disc under the condition of no heat load

從圖9中可以看出，Ⅰ級動力渦輪盤在單一熱載荷條件下，最大熱應(yīng)力在輪盤第3榫齒根部螺栓內(nèi)孔邊緣，為191 MPa。

圖9　Ⅰ級動力渦輪盤在單一熱載荷條件下的等效應(yīng)力分布Fig.9 Equivalent stress distribution of the first-stage power turbine disc under single thermal load

6　結(jié)論

（1）動力渦輪盤在最大工作狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力值，沒有超出材料屈服強度的應(yīng)力值，都在線彈性范圍內(nèi)，靜強度儲備滿足要求。

（2）動力渦輪盤應(yīng)力最大位置及壽命考核點，位于Ⅰ級動力渦輪盤螺栓內(nèi)孔邊緣。

（3）動力渦輪盤最大等效應(yīng)力主要由機械載荷產(chǎn)生，溫度場不均勻性引起的熱載荷在榫槽位置所占比重較大，在其他位置比重較小。

（4）溫度梯度較大的位置在渦輪盤榫槽處，該位置溫度場對渦輪盤應(yīng)力影響較大，在最大載荷條件下應(yīng)力為457 MPa，機械載荷條件下應(yīng)力為356 MPa，單一熱載荷條件下應(yīng)力為191 MPa。

［1］《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊［K］.2版.北京：中國標準出版社，2002.

［2］ANSYS Mechanical User's Guide［M］.Canonsburg：ANSYS Inc.，2013.

［3］ANSYS Fluent Theory Guide［M］.Canonsburg：ANSYS Inc.，2013.

［4］ANSYS Fluent User's Guide［M］.Canonsburg：ANSYS Inc.，2013.

［5］宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例［M］.北京：中國水利出版社，2012.

［6］張洪才，劉憲偉，孫長青，等.ANSYS Workbench 14.5數(shù)值模擬工程實例解析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

Temperature field calculation and static strength analysis of power turbine disc assembly of QD128 gas turbine

SONG Wen-chao1，CHEN Ying-tao2，XU Rang-shu2，QUAN Li-bao2
（1.Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation Ltd.，Shenyang 110043，China；2.Liaoning Key Laboratory of Advanced Test Technology for Aerospace Propulsion System，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

As the key part of the gas turbine，the power turbine disc is complex，and it has a complicated thermal and mechanical load，so it is possible to have a large stress in the local area that will lead to varied faults.In order to ensure the normal and reliable work，the static strength requirements should be met in the design of the disc.Based on the finite element method，the stress distribution of the turbine disc assembly in the maximum load state was calculated and the impact of thermal and mechanical load as well as bolt pre-tightening force on disc stress was analyzed to provide theoretical reference for disk assembly improvement.

gas turbine；power turbine disc；finite element analysis；fluid-solid-thermal coupling；temperature field；static strength check

TK472

A

1672-2620（2015）06-0045-04

2015-12-01；

2015-12-25

宋文超（1961-），男，遼寧丹東人，研究員級高工，主要從事燃氣輪機整機及部件設(shè)計工作。