一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法与流程

本发明涉及的是一种强度考核方法，具体地说是燃气轮机涡轮强度考核方法。

背景技术：

1、可倒车燃气轮机由于具有倒车功率密度大、启动迅速等特点，受到了各国青睐，成为船舶主要动力装置之一。可倒车燃气轮机采用了双燃气通道+双层涡轮叶片的设计思想，外通道为倒车通道。内通道为正车通道，通过前端的燃气切换机构实现燃气流动路线的分配，当燃气只流过下层涡轮叶片时，涡轮转子正向转动，当燃气只流过上层涡轮叶片时，涡轮转子反向转动。双层涡轮叶片作为可倒车燃气轮机中的核心部件，其运行的可靠性直接关系到燃气轮机整机的安全性，因此在进行设计过程中，需要对双层涡轮叶片进行强度计算，消除强度薄弱位置，使得双层涡轮叶片获得尽可能大的强度储备，以满足长期使用需求。

2、当燃气只流过下层涡轮叶片时，涡轮转子正向转动，此时在上层涡轮叶片位置无燃气流过，上层涡轮叶片会逆着设计方向转动，不断搅动空气，与空气摩擦生热而影响双层涡轮叶片温度场分布，温度场的改变会较大影响双层涡轮叶片的强度。当燃气只流过上层涡轮叶片时，涡轮转子反向转动，叶存在类似情况。因此，在双层涡轮叶片强度考核时还应考虑叶片搅动空气摩擦生热对叶片强度的影响。除此之外，在燃气切换的过渡工况下，燃气同时流过上层涡轮叶片和下层涡轮叶片，在某一平衡位置，燃气对上层涡轮叶片和下层涡轮叶片产生的扭矩相等，方向相反，在该位置，需要对上层涡轮叶片和下层涡轮叶片的连接位置会产生强度薄弱点。因此，在双层涡轮叶片强度考核时，除了考虑正转工况和反转工况外，还应考虑过渡工况下双层涡轮叶片强度特性。由于双层涡轮叶片具有特殊的双层结构特点和运行环境特点，使得传统单层涡轮叶片强度计算方法无法全面评价双层涡轮叶片的强度特性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供可解决双层涡轮叶片强度考核的难题，得到高可靠性、结构简单的双层涡轮叶片结构的一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、本发明一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法，其特征是：

4、(1)在nx三维建模软件中建立双层涡轮叶片和轮盘的三维耦合模型；

5、(2)确定可倒车燃气轮机中双层涡轮叶片的正转额定工况运行参数、反转额定工况运行参数、燃气切换过渡工况运行参数，包括双层涡轮叶片所在位置的燃气温度t、燃气压力p、额定转速n；

6、(3)正转运行工况计算：燃气分配挡板处于完全张开状态，燃气全部流经下层叶片，燃气驱动双层涡轮叶片正向转动，上层叶片位置无燃气流过；

7、(4)反转运行工况计算：燃气分配挡板处于完全收拢状态，燃气全部流经上层叶片，燃气驱动双层涡轮叶片反向转动，下层叶片位置无燃气流过；

8、(5)燃气切换的过渡工况计算：燃气分配挡板处于中间过渡状态，燃气一部分流经下层叶片，一部分流经上层叶片；

9、(6)在三个工况下，分别针对双层涡轮叶片所有位置进行强度考核，以材料持久强度为指标进行考核，材料持久强度与叶片中最大等效应力的比值小与1.3，若不满足上述要求，则对叶片结构进行优化设计，优化后的双层涡轮叶片应重新进行强度计算，至满足强度要求。

10、本发明还可以包括：

11、1、步骤(3)正转运行工况计算具体为：

12、首先，建立上层叶片与空气的流固耦合计算模型，计算模型导入cfx流体计算软件中，完成网格划分，设置边界条件，边界条件包括叶片材料、转速、气体参数、进出口压力，完成上层叶片与空气的摩擦生热分析，获得上层叶片温度载荷和表面的压力载荷；

13、其次，建立下层叶片、轮盘与燃气的流固耦合计算模型，计算模型导入cfx流体计算软件中，完成网格划分，设置边界条件，边界条件包括叶片和轮盘的材料、进口温度、进口压力、出口压力、转速、轮盘表面温度及换热系数，完成流固耦合计算，获得下层叶片的温度载荷和表面燃气压力载荷，以及轮盘温度载荷；

14、将上层叶片、下层叶片和轮盘的温度载荷、压力载荷作为边界输入至强度计算软件ansys中，同时对双层涡轮叶片和轮盘的三维耦合模型施加离心载荷、位移约束、预扭约束、轮盘榫齿榫槽约束，完成双层涡轮叶片和轮盘的强度耦合计算。

15、2、步骤(4)反转运行工况计算具体为：

16、首先，建立下层叶片与空气的流固耦合计算模型，计算模型导入cfx流体计算软件中，完成网格划分，设置边界条件，边界条件包括叶片材料、转速、气体参数、进出口压力，完成下层叶片与空气的摩擦生热分析，获得下层叶片12温度载荷和表面的压力载荷；

17、其次，建立上层叶片、轮盘与燃气的流固耦合计算模型，计算模型导入cfx流体计算软件中，完成网格划分，设置边界条件，边界条件包括叶片和轮盘的材料、进口温度、进口压力、出口压力、转速、轮盘表面温度及换热系数，完成流固耦合计算，获得上层叶片的温度载荷和表面燃气压力载荷，以及轮盘温度载荷；

18、将上层叶片、下层叶片和轮盘的温度载荷、压力载荷作为边界输入至强度计算软件ansys中，同时对双层涡轮叶片和轮盘的三维耦合模型施加离心载荷、位移约束、预扭约束、轮盘榫齿榫槽约束，完成双层涡轮叶片和轮盘的强度耦合计算。

19、3、所述步骤(5)燃气切换的过渡工况计算具体为：

20、首先，针对燃气分配挡板处于不同位置时，建立燃气与上层叶片、下层叶片的流固耦合模型，导入cfx软件中完成流动计算，获得燃气对上层叶片和下层叶片相对旋转中心线的扭矩，确定扭矩平衡点，此时燃气对上层叶片和下层叶片相对旋转中心线的扭矩大小相等方向相反；

21、其次，在此状态下上层叶片和下层叶片温度载荷及表面的燃气压力载荷作为边界条件输入至强度计算软件中，同时对双层涡轮叶片和轮盘的三维耦合模型施加约束，完成双层涡轮叶片和轮盘的强度耦合计算。

22、4、在正转运行工况和反转运行工况下，存在燃气不流经一层叶片的情况，此时，考虑叶片在燃气通道内与空气搅动摩擦生热对双层涡轮叶片温度场的影响，进而对双层涡轮叶片强度的影响。

23、5、强度计算中，除考虑正转运行工况和反转运行工况外，还考虑燃气切换过渡工况对双层涡轮叶片强度的影响。

24、本发明的优势在于：在传统单层叶片强度考核方法基础上，考虑了双层涡轮叶片具有特殊的双层结构特点和运行环境特点，将叶片与空气摩擦生热对叶片温度场的影响，以及燃气切换过渡工况对双层涡轮叶片的影响考虑在强度计算之内。使得对双层涡轮叶片强度计算更加全面、准确。

技术特征：

1.一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法，其特征是：

2.根据权利要求1所述的一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法，其特征是：步骤(3)正转运行工况计算具体为：

3.根据权利要求1所述的一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法，其特征是：步骤(4)反转运行工况计算具体为：

4.根据权利要求1所述的一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法，其特征是：所述步骤(5)燃气切换的过渡工况计算具体为：

5.根据权利要求1所述的一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法，其特征是：在正转运行工况和反转运行工况下，存在燃气不流经一层叶片的情况，此时，考虑叶片在燃气通道内与空气搅动摩擦生热对双层涡轮叶片温度场的影响，进而对双层涡轮叶片强度的影响。

6.根据权利要求1所述的一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法，其特征是：强度计算中，除考虑正转运行工况和反转运行工况外，还考虑燃气切换过渡工况对双层涡轮叶片强度的影响。

技术总结
本发明的目的在于提供一种具备反向转动功能的双层涡轮叶片强度考核方法，包括如下步骤：建立双层涡轮叶片和轮盘的三维耦合模型；确定双层涡轮叶片的正转额定工况运行参数、反转额定工况运行参数、燃气切换过渡工况运行参数；正转运行工况计算；反转运行工况计算；燃气切换的过渡工况计算；在三个工况下，分别针对双层涡轮叶片所有位置进行强度考核。本发明考虑了双层涡轮叶片具有特殊的双层结构特点和运行环境特点，将叶片与空气摩擦生热对叶片温度场的影响，以及燃气切换过渡工况对双层涡轮叶片的影响考虑在强度计算之内。使得对双层涡轮叶片强度计算更加全面、准确。

技术研发人员：李宗全,牛夕莹,安仲玉,马涛,刘宇,李越,徐文燕,傅琳
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七0三研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11