燃气轮机透平叶片流-热-固耦合分析及蠕变寿命预测

本文采用流-热-固耦合方法,对某燃气轮机透平动叶的流场、温度场以及应力分布进行了计算分析,并据此对叶片的蠕变寿命进行了计算,得到了蠕变寿命云图,发现该叶片的寿命最短点与温度最高点、应力最大点不在同一位置。相较于传统的选取温度最高和应力最大的节点作为危险点进行寿命分析的方法,对叶片所有节点进行寿命计算,形成寿命云图的方法,能更加直观准确地找到寿命最短的位置,从而更好地评估设计方案。     

燃气轮机透平叶片国产化需解决的关键技术问题

透平叶片是重型燃气轮机的核心部件,实现透平叶片的国产化有着巨大的社会效益和经济效益。但由于历史原因,我国尚未掌握透平叶片的设计和制造技术。本文探讨了透平叶片国产化过程中所需解决的若干关键技术问题,涉及到逆向工程设计,包括:高温合金及涂层等基础材料;气动、传热、结构、强度等多学科交叉分析和优化;精密铸造、特种加工、涂层制备等多种精密加工工艺。研究表明,要实现透平叶片的国产化,需要通过严谨的逆向工程设计才能降低国产化过程中的技术风险,更需要国内在材料—设计—制造—试验等各个环节的企事业单位和科研院所共同合作。     

基于热流固耦合方法的瓦块挂钩强度寿命分析

为了获得燃烧室瓦块挂钩的强度与寿命,借助ANSYS软件对相关结构进行了分析与研究。首先采用热流固耦合方法获得瓦块挂钩结构的三维温度场和表面的压力载荷,然后基于该温度场结果进行强度分析以及寿命评估,最终获得该瓦块挂钩结构的应力和寿命结果。分析结果表明该瓦块挂钩结构能够满足燃烧室安全运行的服役要求。同时,基于热流固耦合方法的燃烧室瓦块挂钩强度与寿命分析方法可获得较为准确的寿命评估结果,该方法可为瓦块挂钩结构的分析研究和优化升级提供参考。     

热应力对燃气轮机叶片寿命的影响

据《Тяжелое　Машиностроение》2005年3月号报道，为了估算热应力对燃气轮机叶片寿命消耗的影响，利用制定的算法和用于在循环负荷条件下分析叶片金属内温分布与寿命消耗的程序。     

透平叶片在流-热-固耦合场下的变形研究

透平叶片在复杂耦合场下工作会产生形变,与设计流道曲面产生偏差,严重影响涡轮机的工作效率。基于流-热-固耦合有限元模型对复杂工况下叶片的变形进行了研究。采用RNGk-e湍流模型经FLUENT流场仿真实现叶片的三维温度场和压力场模拟,利用ANSYS分析得到叶片在温度、压力、离心力单独作用和耦合作用下对应的变形量,并运用灰色关联度理论分析变形之间的关系。通过分析发现,耦合场下的叶片变形并不是各载荷单独作用下变形的线性叠加,而是复杂地耦合;温度是影响叶片变形的优势子因素,压力和离心力的影响较小。分析结果对叶片形变控制策略、补偿及重构都具有重大指导价值。     

叶片寿命研究的国内外现状

简要评述了国内外在汽轮机、燃气机及压气机叶片寿命研究方面的状况。     

透平叶片内部结构的低周疲劳寿命优化设计

透平叶片是燃气轮机寿命设计的关键部件,其内部复杂的冷却结构直接影响甚至制约透平叶片的低周疲劳寿命。为此,针对某型燃气轮机透平静叶中的内部扰流结构,基于整体模型的分析结果,应用子模型方法构建局部分析模型,通过对比边界路径上的应力结果确定用于优化设计的基准模型方案,最后分析了3种不同倒圆半径方案的应力和低周疲劳寿命,并与初始方案结果进行对比,结果表明随着扰流柱倒圆半径的增大,应力水平明显降低,低周疲劳寿命次数显著提升。同时,应用子模型方法对复杂模型的单个结构特征进行优化设计,得到的计算精度和效率比整体模型更高。研究成果能够为燃气轮机透平叶片结构设计分析提供指导。     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：气膜冷却

气膜冷却作为燃气轮机透平叶片通流部分外部冷却的一种主流技术,经过多年来的研究改进,已在工程应用实践中得到了很好的发展.总结近年来燃气透平叶片气膜冷却的相关研究进展,重点介绍了一些新型气膜冷却结构的研究情况,基于当前研究热点和发展趋势,结合作者在这方面的研究经历,指出了气膜冷却研究及其应用的发展方向.鉴于新型气膜孔、组合气膜孔以及涡发生器与气膜孔的组合在气膜冷却性能方面具有较大优势,未来将深入研究其在实际透平中的应用问题.     

基于冲蚀耦合的透平叶片自振频率修正模型

基于叶片质量冲蚀率正比于颗粒累积质量这样的试验规律,本文提出了冲蚀环境下透平叶片弯曲自振频率计算的修正模型,将叶片冲蚀问题与叶片强度问题进行耦合。对某PFBC燃气轮机双级跨音速透平分别用5～50μm的石英砂和催化剂颗粒(颗粒相浓度分别为9 03×10-5%和4 19×10-5%)冲蚀数值模拟后,由该修正模型对透平叶片自振频率的变化进行了估算,结果表明,考虑了叶片冲蚀现象后,叶片自振频率随时间提高,提高幅度依叶片流道内颗粒浓度、颗粒材质的重度而异。这一模型为预报叶片安全状况提供了更有效的手段,有益于提高气固两相透平叶片安全监测的可靠程度。     

燃气轮机透平叶片的外表面传热特性分析

针对叶片表面换热问题,以某型燃气轮机透平叶片为研究对象,使用CFX软件的k-ω湍流模型研究了温差、湍流强度和端壁对叶片外表面换热特性的影响。结果表明,叶片表面与主流的温差对叶片表面的换热分布影响较小,在吸力面的湍流区有些许影响。叶片外表面传热系数受湍流度的影响相对而言不大,其自身变化比较剧烈。叶片的端壁由于马蹄涡卷吸作用,前缘区、吸力面及叶片尾流区换热强度较大,吸力面上在轴向距离0.3附近,表面开始受马蹄涡的影响,最大换热值出现在叶片尾缘近端壁处。研究成果可为透平叶片表面换热的研究提供参考。     

某涡轮叶片热-机械疲劳寿命预测与试验验证

为了得到某燃气轮机涡轮叶片关键截面的真实寿命,设计并开展了涡轮叶片热-机械疲劳试验,获得了真实寿命数据,并基于试验结果提出了一种涡轮叶片低周疲劳与蠕变疲劳交互的寿命预测方法。首先,采用一维线弹性关系、修正公式以及循环应力应变关系3种名义应力应变处理模型计算获得了名义应变;然后,利用SWT寿命关系式预测模型预测了叶片的热-机械疲劳寿命;再将预测寿命与试验获得的真实寿命进行对比分析。研究表明：对于某型燃气轮机涡轮叶片,基于SWT预测模型的循环应力应变关系方法相比于一维线弹性关系和修正公式法预测精度最高,与试验寿命相比,预测误差在4倍分散带之内。     

舰用燃气涡轮叶片材料的蠕变寿命模型研究

本文在金属材料典型蠕变过程的基础上,分别研究了蠕变各个阶段的本构模型。针对金属材料在较高应力下没有蠕变稳定阶段的现象,提出了金属材料高低应力值的判定准则并根据高低应力的不同特点推导了不同的耦合损伤本构模型。通过对舰用燃气轮机涡轮叶片材料的蠕变试验结果与模型预测结果进行比较可以看出：本文提出的蠕变模型近似地模拟金属材料的蠕变全过程,准确地预测金属材料的蠕变寿命。     

R2O燃气轮机涡轮工作叶片断裂失效分析

针对R20燃气轮机第三级涡轮工作叶片断裂事故,对叶片断裂部位开展宏观、微观形貌分析和力学 性能检测,得出叶片断裂的原因。结果显示：叶片的失效原因为疲劳,疲劳源在叶盆侧距离进气边3~4㎜的表面研磨区域交界处,对比2和3号叶片的相同位置,1号叶片第一榫齿面研磨情况较为严重,研磨区域内 含有较高的铁和氧元素,与榫齿面和涡轮盘榫槽面发生微动磨损有关,导致疲劳裂纹过早地萌生;从宏观上 观察断口的疲劳扩展区比例、疲劳条纹宽度和疲劳条纹出现位置,判断为高周疲劳且疲劳裂纹扩展应力较高。     

带粒透平中叶片冲蚀的数值计算及振频变化预估

基于欧拉－拉格朗日解基本思想,在模拟计算了双级跨音速燃气透平三元粘性湍流场基础上,采用颗粒随机轨道模型和PSIC法求解了低颗粒浓度气固双向耦合后两种不同密度的分布直径颗粒的运动轨迹,并据此计算了叶片的冲蚀率,其分布规律与实物叶片的冲蚀情况比较接近。然后利用所建立的叶片冲蚀率与叶片振频的相互关系,预估了叶片振频因冲蚀而随时间发生的变化,为探索叶片冲蚀对振频的影响作了有益的尝试。     

9FA燃气轮机压气机首级动叶改造分析

由于部分使用9FA重型燃气轮机的燃气-蒸汽联合循环电厂在检修过程中发现部分压气机首级动叶存在刮缸现象,设计制造单位对压气机首级动叶进行了更换.本文利用ANSYS软件对其压气机首级动叶片进行数值模拟,发现原有的叶片在工作转速下由于离心力引起的变形能够引起刮缸现象,而改造后的叶片不会产生大的变形.然后采用NUMECA软件对...     

燃气轮机压气机静叶环电子束焊接变形研究

针对燃气轮机压气机静叶环电子束焊接数据进行了收集、整理和分析,得出影响电子束焊接变形的一般规律,提出相应的改进措施,实现了焊接变形的量化控制,达到了控制变形的目的。     

某电厂3号燃气轮机压气机叶片故障的原因分析

对某电厂3号燃气轮机压气机叶片的故障原因进行分析,调查了故障发生经过、运行记录、控制系统记录、机组分解现场、零部件损坏情况,对叶片材质和断口进行了理化检验分析,得出故障原因,对机组的修复和今后的安全运行具有重要的意义。故障与运行操作无直接关系。故障原因分析的结论成为电厂向制造商索赔的技术依据。