新型燃?xì)廨啓C(jī)壽命設(shè)計(jì)原則

衛(wèi)江山

（哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

在研制新型燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)最重要的目標(biāo)之一是保證壽命100000h。顯然，為解決這個(gè)問(wèn)題，必須在燃?xì)廨啓C(jī)裝置的開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)和工業(yè)試運(yùn)行等各階段逐步實(shí)施計(jì)算/試驗(yàn)措施。

2 新型燃機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的選擇

眾所周之，大功率發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)的調(diào)試是一項(xiàng)代價(jià)非常昂貴的工序。原因是其大尺寸動(dòng)靜零件的安裝和更換工作很復(fù)雜。因此，按照國(guó)際慣例，在研制具有較高參數(shù)的電站燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，對(duì)其尺寸的動(dòng)靜零件（葉輪、缸體和軸承）保留了傳統(tǒng)的承力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)方案。

主要是通過(guò)完善通流部分、提高壓比和透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟葋?lái)提高機(jī)組的效率。在開(kāi)發(fā)新型燃機(jī)機(jī)組時(shí)，就是采用了上述方法。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子、缸體和軸承的承力系統(tǒng)方面，采取最適宜的一些結(jié)構(gòu)方案，可大大減少首臺(tái)樣機(jī)調(diào)試的工作量，并避免將燃?xì)廨啓C(jī)的大尺寸零件運(yùn)回制造廠(chǎng)家進(jìn)行全面改進(jìn)。

在新型大功率燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)方面采取正確的方案固然重要，但在現(xiàn)代條件下，還需要使用商用程序包對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)所有主要零件進(jìn)行三維模擬，才能實(shí)現(xiàn)具有工作能力的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

3 燃?xì)廨啓C(jī)部套強(qiáng)度的三維數(shù)學(xué)模擬

（1）壓氣機(jī)。在設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)階段應(yīng)該考慮下列決定壓氣機(jī)可靠性的三個(gè)主要因素：葉片、葉根、葉輪、隔板套以及缸體的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度；動(dòng)葉和導(dǎo)葉的振動(dòng)調(diào)諧；如何消除在燃?xì)廨啓C(jī)啟停時(shí)動(dòng)靜部件的碰磨現(xiàn)象。

為此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中建立了壓氣機(jī)主要部套的三維有限元模型，包括壓氣機(jī)的所有動(dòng)葉和導(dǎo)葉；葉輪（包括葉根連接部位）、隔板套和缸體。

對(duì)動(dòng)葉與葉輪一起進(jìn)行模擬，其中考慮了葉根連接部位和減振圍帶部位（用于1 和2 級(jí)動(dòng)葉）接觸的相互作用。只有通過(guò)三維模擬方法才能得到精確的葉根連接部位的應(yīng)力分布情況。三維模擬表明，最大應(yīng)力在輪槽處（其值達(dá)到900MPa）。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須增大前5 級(jí)輪槽底部圓角半徑，使這些部位產(chǎn)生的應(yīng)力由900MPa 降至550MPa。

（2）透平。在計(jì)算透平強(qiáng)度時(shí)，必須考慮與壓氣機(jī)同樣的那些因素。但是由于透平溫度較高，還要求考慮蠕變影響和持久強(qiáng)度計(jì)算。必須對(duì)透平的下列部件進(jìn)行三維模擬：所有各級(jí)的噴嘴和動(dòng)葉；葉輪和轉(zhuǎn)子端軸；透平隔板套和氣缸。

通過(guò)建立有限元模型，使上述各部套與其模型達(dá)到了最佳的一致性。例如，動(dòng)葉與葉輪一起進(jìn)行模擬時(shí)，考慮了葉根連接部位接觸的相互作用，這樣就可以更全面地反映冷卻葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)飽和狀態(tài)。此時(shí)獲得的數(shù)學(xué)模型包含了15 萬(wàn)～25 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，要求使用高級(jí)個(gè)人計(jì)算機(jī)（不低于奔騰-4 型，2000～2600MHz，內(nèi)存不低于1G）。

為計(jì)算透平三維葉片的強(qiáng)度，必須準(zhǔn)確地設(shè)置溫度邊界條件。為確定葉片的熱態(tài)，引用了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中計(jì)算葉片平截面放熱系數(shù)的方法。然后將所獲得的邊界條件以?xún)?nèi)插法用于3D 網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)CFD 技術(shù)（液體和氣體動(dòng)態(tài)計(jì)算）迅速發(fā)展，包括冷卻劑外吹和氣膜冷卻的形成效應(yīng)，因此，冷卻葉片熱交換的邊界條件由專(zhuān)家利用商用程序包來(lái)予以確定。

計(jì)算結(jié)果證明：葉片內(nèi)的最大應(yīng)力、塑性變形和蠕變出現(xiàn)在葉片工作部分向中間體的過(guò)渡圓角處。這是確定葉片壽命的關(guān)鍵因素，而且這里同時(shí)還存在蠕變效應(yīng)和低周疲勞效應(yīng)。

大尺寸零件（葉輪、缸體）應(yīng)具有抗靜態(tài)裂紋和抗疲勞裂紋的性能，對(duì)壓氣機(jī)制葉輪進(jìn)行了抗裂性計(jì)算：確定了缺陷的臨界尺寸以及裂紋擴(kuò)展到這種臨界尺寸時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

4 燃燒室

燃燒室元件與透平元件一樣，承受蠕變、低周疲勞、裂紋增長(zhǎng)等效應(yīng)。但是由于其結(jié)構(gòu)和其中發(fā)生的物理過(guò)程較復(fù)雜，到現(xiàn)在也不可能正確給出強(qiáng)度計(jì)算所需的邊界條件。因此，燃燒室可靠性的研究就在單獨(dú)的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，但是將來(lái)其強(qiáng)度分析可在設(shè)計(jì)階段完成。首先就對(duì)火焰筒和過(guò)渡段進(jìn)行持久強(qiáng)度和低周疲勞計(jì)算。其溫度限制條件能在考慮到燃燒過(guò)程、噴射冷卻和輻射效應(yīng)的情況下解決共軛熱交換課題的基礎(chǔ)上予以確定。對(duì)于燃機(jī)機(jī)組中較簡(jiǎn)單的燃燒室，該課題是通過(guò)利用燃燒室溫度設(shè)計(jì)值及其與試驗(yàn)值的對(duì)比示例。

5 結(jié)論

該燃機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)完成。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的所有基本部件都建立了具體的三維數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的強(qiáng)度和振動(dòng)計(jì)算。由于采取的結(jié)構(gòu)措施均借鑒了開(kāi)發(fā)大功率電站燃?xì)廨啓C(jī)方面的經(jīng)驗(yàn)，以及研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高效通流部分方面的經(jīng)驗(yàn)，從而使其設(shè)計(jì)得以在較短的周期內(nèi)以較高的水平完成。

在設(shè)計(jì)中建立的燃?xì)廨啓C(jī)各部套的數(shù)學(xué)模型均已通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)成功得到驗(yàn)證。這些模型將按照最大程度上接近于實(shí)際機(jī)組的條件予以修正，從而能確保該新型燃機(jī)機(jī)組的運(yùn)行可靠性和預(yù)測(cè)壽命。