倪瑞林+陳祎航+趙雪

摘 要：本文針對某型產(chǎn)品渦輪盤軸結(jié)構(gòu)的強度問題展開研究。模擬盤軸結(jié)構(gòu)實際受到的載荷工況，包括溫度梯度，機械載荷，通過有限元方法，計算了結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，預(yù)測了危險位置，分析了渦輪盤軸結(jié)構(gòu)的強度可靠性，完善了結(jié)構(gòu)設(shè)計的完整性。

關(guān)鍵詞：溫度梯度；向心式渦輪盤軸；結(jié)構(gòu)

0 引言

根據(jù)我廠某型產(chǎn)品的研制需求，現(xiàn)已完成各個零、部、組件的初步設(shè)計，由于渦輪盤和軸所處的工作環(huán)境最惡劣，受載情況最嚴酷，設(shè)計完成后應(yīng)著重對其進行強度校核，分析結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 零件概況

1.1 零件名稱

渦輪盤軸

1.2 零件組成

盤軸結(jié)構(gòu)按熱傳導(dǎo)方向為基準，如圖1所示，1#區(qū)域為離心式渦輪結(jié)構(gòu)，2#區(qū)域為渦輪軸，與前端的發(fā)電系統(tǒng)相連。制造工藝采用整體加工的方式，材料為K418高溫合金。

1.3 工作過程

高溫高壓的燃氣通過蝸殼導(dǎo)流后，沖擊渦輪葉片，由于渦輪葉片特殊的型面結(jié)構(gòu)，沖擊時，渦輪產(chǎn)生扭矩，帶動渦輪軸，然后渦輪軸將扭矩傳遞給下一級。從工作原理的角度，渦輪盤承受的溫度最高，由于熱包附設(shè)計，所以渦輪軸的溫度主要是由渦輪盤熱傳遞而來，分析時，忽略熱對流和熱輻射對渦輪軸的影響。

2 強度分析

2.1 有限元分析流程圖

渦輪盤軸結(jié)構(gòu)的有限元分析流程見圖2所示。

2.2 參數(shù)輸入

模型參數(shù)輸入包括材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和載荷參數(shù)。

2.2.1 材料參數(shù)

零件選材為K418高溫合金，不同溫度下的材料參數(shù)（包括彈性模量，泊松比，熱導(dǎo)率，線彈性系數(shù)等）見表1所示。

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

渦輪盤軸結(jié)構(gòu)總長73mm，渦輪輪廓直徑為64mm，渦輪葉片總數(shù)為10個，具有特殊的型面，保證渦輪受到燃氣沖擊時，產(chǎn)生額定的扭矩。渦輪軸是總長為56mm的光軸，在軸端具有連接結(jié)構(gòu)，由于連接結(jié)構(gòu)已定義約束，故忽略此部分結(jié)構(gòu)特征。

2.2.3 載荷參數(shù)

渦輪盤軸結(jié)構(gòu)主要受到機械載荷和溫度載荷，機械載荷主要為離心力載荷；溫度載荷如圖3所示，渦輪段為713℃，由有限元計算可得，渦輪軸連接段的溫度為108℃。

2.3 模型建立

根據(jù)零件的尺寸參數(shù)，運用工程軟件進行建模，導(dǎo)入有限元分析軟件后，得到分析模型，如圖4所示。

2.4 網(wǎng)格劃分

對模型進行網(wǎng)格劃分，采用WORKBENCH自帶的網(wǎng)格劃分工具，著重對葉片型面的網(wǎng)格進行自定義劃分，網(wǎng)格效果圖如圖5所示。

2.5 載荷加載

此渦輪盤軸結(jié)構(gòu)所受載荷主要分兩類，一是機械載荷，即系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，旋轉(zhuǎn)速度為70000r/min，二是溫度載荷，即高溫燃氣沖擊渦輪所傳遞的熱量。

2.6 結(jié)果分析

2.6.1 應(yīng)力計算

結(jié)構(gòu)經(jīng)過有限元計算后，得到結(jié)構(gòu)在近似實際工作載荷條件下的應(yīng)力值，其中，最大應(yīng)力為203.4MPa，由標準HB 7763-2005內(nèi)容可知，K418材料在800℃的溫度下的強度為755MPa，大于有限元仿真得到的應(yīng)力結(jié)果。

2.6.2 危險位置分析

由有限元分析結(jié)果，在溫度載荷和機械載荷共同作用下，渦輪葉片的腹腔位置的應(yīng)力值最高，如果發(fā)生破壞，則破壞位置最易出現(xiàn)在此位置，在設(shè)計時，可對此區(qū)域進行熱防護設(shè)計或者冷卻設(shè)計，危險位置圖見圖6

3 結(jié)論

基于有限元方法，對某型產(chǎn)品渦輪盤軸結(jié)構(gòu)的強度進行分析，可以得到：在指定的溫度和載荷條件下，此設(shè)計狀態(tài)的零件結(jié)構(gòu)滿足了強度要求，但是對于渦輪葉片的危險位置則應(yīng)該再處理，如采用局部熱防護技術(shù)和冷卻葉片技術(shù)等，目的在于降低葉片溫度，增大強度。

通過結(jié)構(gòu)強度仿真分析，明晰了零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)，對以后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作有著很重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻

1. 燃氣輪機渦輪盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元分析 張艷春 燃氣輪機技術(shù) 2007-09-16 期刊

2. 基于專家系統(tǒng)的渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計研究 劉斌； 陳志英 機械設(shè)計與制造 2009-08-08 期刊endprint