某型燃?xì)廨啓C(jī)透平盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

顧明恒 鄒婷婷 白生瑋

摘要：本文研究對(duì)象為某型微型燃?xì)廨啓C(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中出現(xiàn)故障的兩級(jí)透平轉(zhuǎn)子，該型機(jī)組在臺(tái)架試驗(yàn)階段出現(xiàn)過(guò)透平輪盤(pán)破碎的惡性事故。通過(guò)開(kāi)展多學(xué)科的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，以屈服儲(chǔ)備、破裂儲(chǔ)備等因素滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則需求為目標(biāo)，最終優(yōu)化得滿足使用需求的透平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的透平轉(zhuǎn)子也成功進(jìn)行了超轉(zhuǎn)破裂試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。目前該型燃機(jī)已在市場(chǎng)投入商業(yè)運(yùn)行，無(wú)透平轉(zhuǎn)子損壞故障。

關(guān)鍵詞：微型燃?xì)廨啓C(jī);透平轉(zhuǎn)子;結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);超轉(zhuǎn)破裂試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK474.7+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0015-02

0? 引言

微型燃汽輪機(jī)體積小、重量輕、適用燃料范圍廣，可靠近用戶安裝，顯著提高了對(duì)用戶供電的可靠性。這些優(yōu)點(diǎn)使得微型燃汽輪機(jī)在分散式供電、熱電聯(lián)供、車(chē)輛與小型船舶混合動(dòng)力方面的應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展。

作為微型燃?xì)廨啓C(jī)核心部件之一的透平盤(pán)，其工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，工作環(huán)境十分惡劣，承受載荷復(fù)雜多變，因此其設(shè)計(jì)難度很大。微型燃?xì)廨啓C(jī)透平轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)需要?dú)鈩?dòng)、傳熱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度轉(zhuǎn)子通力合作不斷迭代，綜合考慮重量、壽命、效率與可靠性等因素，最終才能得到一個(gè)各方都能接受的最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

1? 優(yōu)化設(shè)計(jì)背景

本文研究對(duì)象為某型燃?xì)廨啓C(jī)透平轉(zhuǎn)子。該型微型燃?xì)廨啓C(jī)功率為500kW以下，屬于微型燃?xì)廨啓C(jī)，由離心壓氣機(jī)、單筒式燃燒室、兩級(jí)軸流整體葉盤(pán)式透平轉(zhuǎn)子組成，作為分布式能源使用時(shí)，其能源綜合利用率最高可超過(guò)92%。

該型燃機(jī)整機(jī)試驗(yàn)時(shí)，透平第二級(jí)輪盤(pán)突然發(fā)生破裂，事故后現(xiàn)場(chǎng)破壞情況如圖1所示。

發(fā)生這樣嚴(yán)重的事故后，研發(fā)和測(cè)試人員對(duì)事故原因進(jìn)行深入分析，有限元分析結(jié)果表明該型燃機(jī)透平輪盤(pán)周向破裂裕度嚴(yán)重不足，設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)下存在許多位置應(yīng)力水平超過(guò)材料屈服極限，部分開(kāi)孔位置甚至局部應(yīng)力水平超過(guò)材料斷裂極限。

事故中破裂的第二級(jí)透平轉(zhuǎn)子為整體葉盤(pán)式，單級(jí)轉(zhuǎn)子整圈共計(jì)有36個(gè)葉片，由于外委設(shè)計(jì)方設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，未能按流程進(jìn)行完整設(shè)計(jì)，為了確保后續(xù)機(jī)型安全運(yùn)行，對(duì)該型燃機(jī)透平轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化勢(shì)在必行。

2? 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

基于CAE軟件（ANSYS Mechanical+ HYPERMESH）和UG開(kāi)展的優(yōu)化設(shè)計(jì)，流道氣動(dòng)設(shè)計(jì)、二次流設(shè)計(jì)未在本文中進(jìn)行優(yōu)化。

首先基于UG軟件，挑選合理變量，形成了透平轉(zhuǎn)子盤(pán)身的參數(shù)化模型。進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)必須確保每改變一個(gè)參數(shù)時(shí)，在幾何拓?fù)渲袘?yīng)該只有一處幾何元素發(fā)生變化，且模型必須進(jìn)行全約束，不能出現(xiàn)欠約束或者過(guò)約束的情況。

溫度場(chǎng)分析模型通過(guò)ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界條件由主流道氣動(dòng)和二次空氣系統(tǒng)提供，需確保轉(zhuǎn)子各處溫度不能超出材料長(zhǎng)期使用許用溫度。ANSYS中獲取得溫度載荷后，開(kāi)展強(qiáng)度仿真分析，強(qiáng)度分析采用HYPERMESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分后使用ANSYS軟件進(jìn)行加載分析。

2.2 熱固耦合分析

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析基于前序完成的溫度載荷及離心力、流道氣動(dòng)壓力、非流道二次空氣系統(tǒng)腔壓等。通過(guò)這些載荷加載至彈塑性材料的有限元模型中我們可以得到詳細(xì)的應(yīng)力結(jié)果。

計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)結(jié)果見(jiàn)圖2。

有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖3，邊界條件為第一級(jí)盤(pán)前的端齒連接面施加軸向固支，模型內(nèi)部各零件間采用標(biāo)準(zhǔn)接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，葉片離心載荷和氣動(dòng)載荷分別在相應(yīng)位置建立mass21單元的質(zhì)量點(diǎn)上施加。

通過(guò)有限元分析，可以得到原始設(shè)計(jì)的兩級(jí)透平轉(zhuǎn)子等效應(yīng)力分布，示意見(jiàn)圖4。

2.3 盤(pán)體參數(shù)敏感性分析

幾何全約束的透平盤(pán)參數(shù)化模型中的變量較多，本文在優(yōu)化設(shè)計(jì)之初進(jìn)行了靈敏度分析，以便捷的篩選出了對(duì)透平盤(pán)強(qiáng)度影響較大的關(guān)鍵幾何尺寸參數(shù)，便于有針對(duì)性的提高后期優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。

進(jìn)行透平盤(pán)盤(pán)體幾何參數(shù)靈敏度計(jì)算時(shí)，各幾何參數(shù)的范圍選取為原始設(shè)計(jì)尺寸的±1%。首先，基于拉丁超立方抽樣法構(gòu)造響應(yīng)面，每組抽樣156次;其次使用隨機(jī)抽樣進(jìn)行誤差分析，每組誤差檢驗(yàn)的抽樣為12次;最后以透平盤(pán)體最大等效應(yīng)力、盤(pán)心最大周向應(yīng)力與幅板最大徑向應(yīng)力作為靈敏度分析的目標(biāo)函數(shù)。

對(duì)透平盤(pán)體最大等效應(yīng)力、盤(pán)心最大周向應(yīng)力與幅板最大徑向應(yīng)力影響較大的幾何因素進(jìn)行篩選，得到影響透平轉(zhuǎn)子盤(pán)體強(qiáng)度的關(guān)鍵幾何參數(shù)為Disk_R1（輪盤(pán)內(nèi)徑）、Disk_R2（輪盤(pán)外徑）、Disk_A2（盤(pán)右側(cè)幅板角度）、Disk_W6（盤(pán)緣厚度）、Disk_H1（右側(cè)盤(pán)心高度）。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束方程為：

①透平盤(pán)體各處單點(diǎn)屈服儲(chǔ)備系數(shù)不低于1.1;

②盤(pán)心周向破裂儲(chǔ)備不低于1.3;

③幅板徑向破裂儲(chǔ)備不低于1.3。

優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)為滿足約束方程前提下兩級(jí)透平轉(zhuǎn)子總質(zhì)量最輕。

通過(guò)多輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到滿足全部設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求的最終結(jié)構(gòu)。最終優(yōu)化得的兩級(jí)轉(zhuǎn)子最大單點(diǎn)等效應(yīng)力為787MPa，屈服儲(chǔ)備最低達(dá)1.12。優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，兩級(jí)盤(pán)最低周向破裂裕度提升示意見(jiàn)圖5。

3? 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，并確保后期外場(chǎng)使用的安全性，在浙江大學(xué)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了該型微燃機(jī)透平轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)破裂試驗(yàn)。試驗(yàn)基本過(guò)程為試驗(yàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以100～150rpm/s上升，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的滿轉(zhuǎn)速后，維持五分鐘，如果未觀察到明顯異常發(fā)生，則轉(zhuǎn)速進(jìn)一步緩慢提升至110%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，維持五分鐘，如果未觀察到明顯異常，則轉(zhuǎn)速進(jìn)一步緩慢提升至115%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速維持五分鐘，如果未觀察到明顯異常，則轉(zhuǎn)速繼續(xù)緩慢提升，直至某級(jí)轉(zhuǎn)子發(fā)生破裂。（圖6）

試驗(yàn)中二級(jí)透平盤(pán)先發(fā)生破裂，與理論分析一致，破裂轉(zhuǎn)速與理論分析誤差僅為1.35%，試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也表明：該微型燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤(pán)超轉(zhuǎn)破裂能力滿足設(shè)計(jì)要求，具備產(chǎn)品應(yīng)用條件。

4? 總結(jié)

本文以某型燃?xì)廨啓C(jī)透平轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，建立了全約束的參數(shù)化模型，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，最終基于固熱耦合，完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)。新優(yōu)化設(shè)計(jì)的透平轉(zhuǎn)子通過(guò)了超轉(zhuǎn)破裂試驗(yàn)測(cè)試，目前已在產(chǎn)品上投入使用，商業(yè)運(yùn)行截至目前未產(chǎn)生透平轉(zhuǎn)子破壞故障。

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