燃氣輪機高壓渦輪葉頂間隙變化規(guī)律的有限元分析

劉永葆 房友龍

1海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢 430033

2中國人民解放軍91663部隊，山東 青島 266012

燃氣輪機高壓渦輪葉頂間隙變化規(guī)律的有限元分析

劉永葆1房友龍2

1海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢 430033

2中國人民解放軍91663部隊，山東 青島 266012

高壓渦輪葉頂間隙會直接影響到燃氣輪機的功率、效率、油耗和壽命。利用有限元等軟件，建立了葉片、輪盤和機匣外環(huán)的實物模型；通過熱結構耦合分析，計算得到各自在溫度場和離心力場作用下的徑向位移，進而得到葉頂間隙變化規(guī)律，并進行了分析。計算結果表明：溫度場變化是引起葉片和輪盤徑向變形的主要因素；離心力對輪盤徑向變形的作用比對葉片徑向變形的作用要顯著得多；熱和離心力變化是間隙變化的兩個主要因素；葉片、輪盤和機匣的熱響應不一致以及離心力對轉子的拉伸作用導致其徑向膨脹變形不匹配，進而引起間隙變化；快速增減速度對間隙的影響最為明顯。

燃氣輪機；葉頂間隙；有限元分析；ANSYS；Hypermesh

1 引言

減小燃氣輪機的葉頂間隙，是提高燃氣輪機功率和效率、改善其工作穩(wěn)定性、減少燃油消耗和排放、延長其使用壽命的有效途徑之一。燃氣輪機燃油消耗率和排氣溫度與高壓渦輪葉頂間隙也有直接的關系。Wiseman［1］指出高壓渦輪葉頂間隙每增加0.254mm，燃油消耗率將近似增加1%，排氣溫度增加10℃。美國GE公司對CF6－50發(fā)動機的分析表明，其壓氣機、渦輪葉片葉頂間隙引起的耗油率的損失約占總損失的67%［2］。因此國內外對于燃氣輪機葉頂間隙控制的研究都十分重視。通過數值分析研究燃氣輪機葉頂間隙變化規(guī)律，是其中的一項重要內容。

從70年代開始，美國國家航空宇航局Lewis研究中心等許多研究機構都先后在有關葉頂間隙控制的不同領域開展了大量試驗與分析的工作，所取得的成果已在 CFM56、V2500、GE90、PW4000等多種發(fā)動機中得到應用。

Lattime等［3］進行了兩種葉頂間隙控制方案的研究：避免摩擦式和再生重建式。Tayloy等［4］將一種高精度的液壓伺服作動器應用于葉頂間隙主動控制系統(tǒng)。Decastro等［5］論述了一般的商用渦扇發(fā)動機主動渦輪葉頂間隙控制系統(tǒng)的條件，并選擇了兩種執(zhí)行機構來滿足這種條件：電液閥和壓電塊。

豈興明等［6］利用有限元分析軟件分析了某型高壓渦輪葉頂間隙在不同工況下隨時間的變化，采用分段加載方法對模型施加溫度和壓力邊界條件。漆文凱等［7］采用有限元數值分析法，分析了葉片、輪盤和機匣的熱—結構耦合變形及渦輪葉尖間隙的變化規(guī)律，但在建立渦輪葉片模型中未考慮葉片的榫頭和緣板，模型過于簡化。牛冬生［8］改進了輪盤溫度場的加載方法，并分析了離心力引起的轉子徑向位移在總位移中的影響程度，但所用的循環(huán)對稱方法不能進行瞬態(tài)分析，模型簡化較多。

本文利用有限元等軟件，建立了某型燃氣輪機葉片、輪盤和機匣外環(huán)的實物模型；計算其在各種工況下不同部位的換熱系數，采用第三類邊界條件，計算了葉片、輪盤和機匣的溫度場；通過熱結構耦合分析，計算得到各自在溫度場和離心力場作用下的徑向位移；通過對葉片、輪盤和機匣位移的疊加計算，得到葉頂間隙變化，并進行了分析。

2 模型的建立

根據該型燃氣輪機的實際工作狀況，考慮影響徑向間隙的主要因素，各部件所受載荷情況分別是：渦輪葉片受離心載荷和溫度載荷；渦輪盤受離心力載荷、由葉片離心力引起的作用在輪盤外緣上的力以及溫度載荷；渦輪機匣外環(huán)僅受溫度載荷。

葉頂間隙變化的數學模型為：式中，δ0為冷態(tài)結構間隙；u（t）為部件隨時間的變形，且第1個下標s、d、b分別為機匣、輪盤和葉片；第2個下標n、t分別為離心力負荷和熱負荷。

將葉片、輪盤和機匣分別建模：由于葉片結構極為復雜，內有冷卻氣流，頂部帶有葉冠，所以葉片采用三維模型分析；機匣和輪盤由于是軸對稱結構，采用二維平面模型分析。

2.1 葉片模型

用UG軟件建立某型燃氣輪機高壓渦輪葉片的三維模型，如圖1所示。為有效解決直接將葉片三維模型導入到ANSYS后，很難在葉片表面上進行對流換熱載荷加載的問題，本文探索了一種新方法，即將葉片三維模型導入到Hypermesh有限元軟件中進行網格劃分，并建立多個面單元，再導入到ANSYS軟件中對不同部位和表面進行載荷加載和分析。熱分析選用Solid70熱單元。結構分析采用Solid185結構單元。

圖1 葉片三維模型Fig.1 The three dimensionalmodel of blade

2.2 輪盤模型

輪盤二維模型如圖2所示。熱分析采用Plane77單元。結構分析采用Plane183單元。

圖2 輪盤二維模型Fig.2 The two dimensionalmodel of disk

2.3 機匣模型

該型燃氣輪機高壓渦輪部分內機匣有蜂窩鑲嵌件、外環(huán)和分配護板，蜂窩密封環(huán)和外環(huán)的結構如圖3所示。

圖3 機匣外環(huán)和密封環(huán)模型Fig.3 The shroud and the sealing ring model

熱分析時蜂窩密封和外環(huán)均采用Plane77單元，結構分析時蜂窩密封和外環(huán)均采用Plane183單元，其接觸部分采用接觸對，接觸單元為Contact172和Target169，用四邊形劃分網格。

3 邊界條件與載荷加載

該型燃氣輪機工作轉速—時間曲線見圖4。燃氣輪機先后經歷慢車工況、1.0 工況、0.8 工況和慢車工況。本文計算時，按燃氣輪機的實時工況，分成10個載荷步，在兩載荷步時間點間認為轉速是線性變化的。各工況下的高壓渦輪動葉入口燃氣溫度由熱力計算得到，輪盤、機匣和動葉內部的冷卻氣流溫度由試車試驗得到。

圖4 轉速—時間曲線Fig.4 Curve of the shaft speed vs.time

采用第3類邊界條件進行傳熱分析。在加載中，不考慮冷氣在引氣管、內部通道內流動過程中的溫度變化，假設燃氣溫度在葉片高度上為對稱分布，只在葉冠和葉根部分溫度略有下降。本文采用熱結構耦合分析，將溫度場分析結果導入到結構場，作為結構場的溫度邊界條件進行加載分析。

3.1 葉片的邊界條件與載荷加載

1）熱邊界條件

利用文獻［9］中介紹的葉片外表面不同部位、葉片內表面及葉冠的準則關系式確定不同工況下的換熱系數。利用文獻［8］中介紹的方法將輪盤外緣的榫頭與葉片的榫槽間的接觸熱阻轉換為對流換熱進行加載。

2）結構邊界條件

位移約束：在與榫槽接觸的葉片榫頭部分節(jié)點施加X、Y、Z方向的位移約束。離心力載荷：對葉片全部節(jié)點施加繞X軸旋轉的角速度。

3.2 輪盤的邊界條件與載荷加載

1）輪盤熱邊界條件

利用文獻［10］介紹的噴射吹風換熱準則關系式求輪盤側表面的換熱系數，榫頭與榫槽間的接觸傳熱等效處理為對流換熱。

2）輪盤結構邊界條件

位移約束：左側和底部施加X、Y方向的位移約束。輪盤自身旋轉的離心力載荷：在各載荷步下分別輸入對應的繞X軸旋轉的角速度。葉片的離心力對輪盤作用的處理：將輪盤圓周上86個葉片旋轉產生的離心力均勻分布在輪緣表面。

3.3 機匣的邊界條件與載荷加載

1）機匣的熱邊界條件

蜂窩密封環(huán)內與燃氣接觸部分有對流換熱，密封環(huán)與其和外環(huán)間的空腔內的冷卻氣流有對流換熱。轉子葉片徑向間隙中機匣表面和縫道中的換熱系數由文獻［11］中的準則確定。根據文獻［12］給出的幾種面接觸熱阻數據，蜂窩密封和外環(huán)間的面接觸熱阻取 0.000 2 m2·K／W。

2）機匣的結構邊界條件

位移約束：蜂窩密封的左側Line25、環(huán)的右側節(jié)點1645～1648均有X方向的位移約束，環(huán)頂部的右側Line33～Line37有X、Y方向的位移約束。

4 結果與分析

4.1 葉片、輪盤外緣和機匣的徑向變形

在葉冠頂部第一道篦齒取節(jié)點64104，一個運行周期中其在熱作用和離心力作用下的徑向位移和總位移變化如圖5所示。由圖5可知，熱作用是葉片產生徑向位移的主要因素。

圖5 一個周期中葉片的徑向位移Fig.5 The radial displacement of blade tip vs.time

取輪緣左側節(jié)點252，其在熱和離心力作用下的徑向位移和總徑向位移變化如圖6所示。由圖6知熱作用是輪盤膨脹的主要因素。離心力對輪盤徑向變形的作用比對葉片徑向變形的作用要顯著得多，尤其是在發(fā)動機起動階段，離心力作用最為顯著。

圖6 一個周期中輪緣的徑向位移Fig.6 The displacement of rim of disk vs.time

取與葉冠篦齒對應的密封環(huán)上的節(jié)點24、50和68，一個運行周期中其徑向位移變化如圖7。由圖可知與第3道篦齒對應的節(jié)點68的徑向位移較大，1.0工況時其位移值達到了 1.4mm。

4.2 間隙變化規(guī)律與分析

冷態(tài)葉頂間隙 δ0＝2.8mm。將 ANSYS分析得到的葉片、輪盤和機匣的徑向變形量導入到Excel中，按式（1）計算得到葉頂間隙的變化如圖8。間隙 1、2、3分別是第 1、第 2、第 3道篦齒所選節(jié)點對應部位的間隙。

圖7 一個周期中機匣密封環(huán)的徑向位移Fig.7 The radial displacement of sealing ring with active control vs.time

圖8 一個周期中的間隙變化Fig.8 The blade tip clearance vs.time

由圖8可知，在發(fā)動機起動和加速過程中，隨著發(fā)動機轉速增加，由于輪盤和葉片上的離心力和葉片的迅速加熱，引起轉子迅速向外伸長，同時機匣受熱膨脹但膨脹量小得多，導致間隙迅速減小。從慢車加速到1.0工況，間隙再次急劇減小。對應葉冠3個篦齒部分的間隙的最小值分別是0.14mm、0.37mm 和 0.58mm。間隙的減小會減少燃氣的泄漏，增加發(fā)動機的功率和效率，減少燃油的消耗。發(fā)動機由1.0工況減速為0.8工況過程中，由于輪盤和葉片的離心力減小，而機匣相對熱滯后，間隙迅速增加。當發(fā)動機穩(wěn)定在0.8工況時，間隙相對恒定。發(fā)動機由0.8工況減速為慢車工況和由慢車工況減速到停機過程中，由于輪盤和葉片的離心力的減小和葉片熱負荷減小以及機匣冷卻的熱滯后，間隙會急劇增加。間隙增大會增加燃氣的泄漏，降低發(fā)動機的功率和效率，增加燃油的消耗。

5 結 論

建模過程中，將葉片三維模型導入到Hypermesh有限元軟件中進行網格劃分，并建立多個面單元，再導入到ANSYS軟件中對不同部位和表面進行載荷加載和分析，可有效解決直接將葉片三維模型導入到ANSYS無法在葉片表面上進行對流換熱載荷加載的問題。

通過本文的仿真分析可得到如下結論：

1）葉片溫度場變化是引起葉片徑向變形的主要因素，而離心力作用的影響很小。

2）離心力對輪盤徑向變形的作用比對葉片徑向變形的作用要顯著得多，尤其是在發(fā)動機起動階段，離心力作用最為顯著。

3）熱和離心力變化是間隙變化的兩個主要因素。葉片、輪盤和機匣的熱響應不一致，以及離心力對轉子的拉伸作用導致其徑向膨脹變形不匹配，進而引起間隙變化?？焖偌訙p速對間隙的影響最為明顯。在加速過程間隙急劇減小，減速過程中間隙增加。

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QIW K，CHEN W.Tip clearance numerical analysis of an aero－engine HPT ［J］.Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2003，35（1）：63－67.

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［11］ 葛永樂，呂建成.渦輪機高溫零件溫度場專題文集第三集——渦輪機葉片溫度場的分析研究［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1982.

［12］ 戴鍋生.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，1998.

The Finite Element Analysis for HPT Blade Tip Clearance Variation of Gas Turbine

Liu Yong－bao1 Fang You－long2
1 College of Naval Architecture and Power，Naval Univiversity of Engineering，Wuhan 430033，China
2 The 91663rdUnitof PLA， Qingdao 266012，China

The bl ade tip clearance variation of the high pressure turbine （HPT） has significanteffecton the power， the efficiency and the service cycle of gas turbine.The finite elementmodels of the blade，the disk and the shroud were built.The radial displacements were calculated by the thermal structural couplingmethod.The regulation of the blade tip clearance variation at the practicalworking states of the turbine was also analyzed.The results show that the temperature dominates the displacements of blade and disk.And the centrifugal force has an extending effect on the rotor than that of the blade.The radial displacements of them are notmatching， thus lead to clearance changes.The thermal and the centrifugal force are the twomajor factors for the variation of tip clearance which was induced by the disharmony of radial displacements.Rapid accelerating and decelerating has themost significant effect on the clearance.

gas turbine； blade tip clearance； finite elementanalysis； ANSYS； Hypermesh

U664.1

A

1673－3185（2011）06－78－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.016

2011-06-29

國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金資助（50721005）

劉永葆（1967－），男，博士，教授。研究方向：艦船動力及熱力系統(tǒng)的監(jiān)測、控制與故障診斷。E-mail：yongbaoliu＠yahoo.com.cn

房友龍（1986－），男，碩士，助理工程師。研究方向：艦船動力及熱力系統(tǒng)的監(jiān)測與故障診斷。E-mail：dragon686＠163.com