發(fā)布時間：2020-10-11 16:04

　　 燃氣輪機作為現(xiàn)代高端動力裝備,在軍民各領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。隨著對燃氣輪機循環(huán)熱效率和比功率的要求越來越高,透平前溫度不斷提高,目前先進燃氣輪機的透平前溫度已經(jīng)可以達到1800K。燃氣輪機透平葉片長期工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的環(huán)境中,加之葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其應(yīng)力狀態(tài)極為復(fù)雜,成為燃機中最易發(fā)生故障的部件之一。在現(xiàn)代透平葉片設(shè)計中,必須綜合考慮其氣動、強度和壽命等各方面性能,才能滿足燃機設(shè)計的長壽命、高可靠性要求。本文針對某燃氣輪機高壓透平動葉進行了流熱固耦合數(shù)值模擬研究,并在此基礎(chǔ)上對其靜強度和蠕變壽命進行計算分析。首先通過流熱耦合模擬,對透平第二級動葉氣熱特性進行了計算分析。結(jié)果表明,葉片金屬最高溫度約為高溫合金材料熔點的70%,位于葉片前緣頂部。葉片主流進口的溫度分布對葉片尾緣金屬溫度分布產(chǎn)生了比較明顯的影響,使得尾緣溫度分布呈現(xiàn)中間高,兩端低的特點。在氣熱耦合計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,基于熱固耦合的方法,對高壓透平兩級動葉片進行了熱彈塑性有限元計算,求解得到其應(yīng)力應(yīng)變場。結(jié)果表明:1)兩級葉片的高應(yīng)力區(qū)主要在榫頭位置,葉身和端壁的應(yīng)力相對較小,并且都在第一榫齒處發(fā)生了應(yīng)力集中,應(yīng)力集中點的應(yīng)力均超過了相應(yīng)溫度下的材料屈服強度,應(yīng)當引起注意。2)離心載荷對兩級動葉片的應(yīng)力分布影響顯著。在離心力及離心力形成的彎矩作用下,兩級葉片的等效應(yīng)力均出現(xiàn)了沿徑向減小以及吸力面大于壓力面的分布趨勢。3)溫度載荷對氣膜孔以及尾緣等溫度梯度大的區(qū)域的應(yīng)力分布影響比較明顯。在獲得了溫度和應(yīng)力結(jié)果之后,采用拉森-米勒參數(shù)法對兩級動葉片的蠕變壽命進行了計算,得到了蠕變壽命分布云圖。結(jié)果表明:第一級動葉金屬溫度較高,其蠕變壽命受溫度影響大于應(yīng)力影響,低壽命區(qū)域主要發(fā)生在葉身的高溫區(qū);而二級動葉的蠕變壽命受兩者影響程度接近,壓力面受溫度影響較大,吸力面受應(yīng)力影響較大。此外,兩級動葉片的壽命最短位置都不是應(yīng)力最大位置或者溫度最高位置,說明蠕變壽命受溫度和應(yīng)力共同影響,采用形成壽命云圖的處理方法能更加準確直觀地找到蠕變壽命最短的位置。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK473
【部分圖文】：

?２０３５??Ｙｅａｒ??圖１．１透平進口溫度發(fā)展趨勢—??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｔｒｅｎｄ?ｏｆ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｉｎｌｅｔ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??透平葉片作為高溫、高載荷、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的典型熱端部件，其性能和可靠性直??接關(guān)系到發(fā)動機的性能、耐久性、可靠性和壽命，透平葉片的壽命對整個發(fā)動機??的壽命有著極大的影響。據(jù)統(tǒng)計，在發(fā)動機零部件的失效試件中，轉(zhuǎn)子葉片占??７０％?以上［１３］。??／?Ａｅｒｏ?Ｄｅｓｉｇｎ?、．?＇、?ｙ?Ｉ?Ｌｉｆｅ?＼??？?Ｆｌｏｗｐａｔｈ?）?＾?＾?｜?．?Ｍｉｓｓｉｏｎ?ｍｉｘ?］??＼?－Ａｉｒｆｏｉｌｓ?／?＼?－ＬＣＦ??Ｃｏｓｔ?Ｒｃｐａｉｒａｂｌｌｉｔｙ?＼??＞—、?』?，—Ａ??／?＼?Ｃｏｍｒｒ｜ｏｎａＵｔｙ?Ｓｅｒｖｉｃｉｎｇ?／?＼??！?Ｍａｔｅｒｉａｌｓ?、?／?Ａｅｒｏ＊?＼??？?Ｂａｓｅ?ｍｅｔａｌ?Ｍａｎｕｌｊｔ?ｌｕｒｉｎｇ?Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ?ｉ?Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?＇??ｉ?？?Ｃｏａｔｉｎｇｓ?ｊ?＼?？?ＨＣＦ?ｊ??＼?？?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ?Ｊ?＼?？?Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ?Ｊ??、?Ｔｈｅｒｍａｌ?／??＼：?Ｄｅｓｉｇｎ?＾?Ｍｅｃｈ．?ＤｃＭ〇ｎ?＼?．??？?－Ｂｕｌｋ?Ｔｅｍｐ?Ｉ?？Ｓｔｒｅｓｓｅｓ?ｊ??＼?？?Ｍａｘ．Ｔ?／?Ｖ?？?Ｃｒｅｅｐ?ｊ??％?Ｗｃ??圖１．２透平設(shè)計循環(huán)圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｃｙｃｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｄｅｓｉｇｎ??透平葉片的設(shè)計集中體現(xiàn)著高可靠性、長壽命和輕量化于一身的特點

＼?？?Ｍａｘ．Ｔ?／?Ｖ?？?Ｃｒｅｅｐ?ｊ??％?Ｗｃ??圖１．２透平設(shè)計循環(huán)圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｃｙｃｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｄｅｓｉｇｎ??透平葉片的設(shè)計集中體現(xiàn)著高可靠性、長壽命和輕量化于一身的特點，是燃??２??

固體應(yīng)力應(yīng)變相互作用的熱－固耦合，以及流場、溫度場和結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)呦??互作用的流－熱－固耦合問題。每一種耦合關(guān)系在其發(fā)展過程中，都各自形成了相??應(yīng)的獨立學科分支，其相互關(guān)系如圖１．３所示。??傳熱??熱流體學ｆ廣＾＾＾＼彈性力學??／?（＾）?＼???????流動?結(jié)構(gòu)??Ｊ?氣動彈性力學?一＿———??圖１．３流熱固多場耦合分類??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｆｌｕｉｄ－ｔｈｅｒｍａｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｍｕｌｔｉ?ｆｉｅｌｄｓ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ?ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ??從計算方法的角度來看，多場耦合又可以分為強耦合和弱耦合。強耦合在流??體域和固體域同時求解方程組的各類方程，這種方法計算穩(wěn)定，不存在時間滯后??問題，但計算花費巨大。而弱耦合則是采用每個增量步內(nèi)交替求解各個物理量的??控制方程，并在各場的交界面通過差值運算交換信息。這種在每個增量步內(nèi)解耦??的弱耦合解法在物理量梯度大的情況下，可能會引起求解不穩(wěn)定。但該方法的優(yōu)??勢在于，各物理量求解過程相互獨立，可以最大化地利用己有數(shù)值分析的方法和??程序，縮短計算時間，??根據(jù)耦合交界面處數(shù)據(jù)傳遞的方向
【參考文獻】

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本文編號：2836813