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1.引言
某型燃氣輪機是我國自行研制的首臺擁有自主知識產權的中檔功率輕型燃氣輪機，由昆侖發動機改型而來，主要用于發電。該燃氣輪機I級、II級動力渦輪盤原結構采用K438材料加工而成，目前該種材料在市場不易采購且價格較高，不利于改型燃氣輪機的推廣。為此，本研究是基于有限元法，針對I級、II級動力渦輪盤組件進行盤改材料靜強度分析計算。通過給定條件，首次以I級、II級動力渦組件的形式計算其溫度場，得到新材料下渦輪盤的強度，為渦輪盤變更設計提供理論參考。
2.燃氣輪機結構
燃氣輪機有2級動力渦輪盤，I級、II級渦輪葉片數均為97 , I級、II級導向器葉片數均為85，渦輪盤外緣均布97個樺槽。第I級渦輪盤前側有蓖齒封嚴突緣及平衡配重組件安裝槽突緣。兩級動力渦輪盤之間有一個級間蓖齒封嚴圈，封嚴圈與兩級渦輪盤之間以套接方式相連。16個聯接螺栓將兩級渦輪盤及主軸組件通過套齒相連。
燃氣輪機工作過程中，動力渦輪盤承受的載荷主要有：葉片、樺頭及輪盤本身的質量離心力，輪緣部位與輪盤中心部位的溫度梯度，氣動載荷(由葉片傳來的氣體力和輪盤前、后端面上的氣體壓力)，葉片及輪盤運行中振動時產生的動載荷，盤與軸連接處的裝配應力等。其中氣動載荷、振動載荷對輪盤的靜強度影響較小，載荷數據的影響也比較有限，所以本研究進行強度計算時主要考慮離心載荷、溫度載荷及裝配條件的影響。
所選GH4169高溫合金為餅材，其材料參數為：密度8.24 kg/cm3，彈性模量193 GPa，泊松比0.3，屈服強度1310 MPa，線膨脹系數13.5x10-6。
3.計算模型建立
考慮到渦輪盤上均布的螺栓孔數和套齒數的最大公約數為16，利用旋轉周期性條件，將渦輪工作葉片數簡化為96，級間蓖齒封嚴圈上的40個中4.8孔按等效流通能力條件簡化為均布的32個中5.0孔。旋轉坐標系區和被包圍在其內部的固體區取圓周1/16的扇形區域為計算域，并包含6個完整的工作葉片和葉柵通道。
4.溫度場計算
建立合理的動力渦輪盤溫度場計算模型，是獲得可靠強度分析結論的重要技術保證。為得到滿足渦輪盤強度計算要求精度的溫度分布，本研究建立了包括渦輪燃氣流道、冷卻空氣腔、渦輪工作葉片和渦輪盤的流-固-熱耦合模型。
動力渦輪中，基本傳熱過程是燃氣通過動力渦輪葉片將熱量傳給渦輪盤，渦輪盤再將熱量傳給冷卻空氣。因此，動力渦輪盤溫度場計算模型的計算域，應包括渦輪盤、渦輪工作葉片、燃氣流道和冷卻空氣腔，見圖。
作為流-固-熱耦合計算模型，計算網格應具有良好的正交性和單元質量等要求。流體區網格應滿足基于求解RAMS的湍流模型對單元尺寸的要求，特別是對近壁區湍流速度、溫度分布精確計算的要求，應滿足近壁區處理方法對壁面了的要求，固體區網格則主要應與溫度和熱流通量分布相適應。
速度著色的流線表示，渦輪盤、葉片、機匣等固體部分顯示了表面和子午面的溫度，燃氣通道入口和出口顯示為燃氣溫度。
渦輪盤強度采用有限元法(FEM)計算，需將流-固-熱耦合CFD模型計算所得渦輪盤和封嚴圈溫度場數據向FEM結構分析模型映射。導入并映射溫度場后的渦輪盤和封嚴圈有限元模型如圖所示。
動力渦輪出口溫度計算值與實測值的對比如表所示，可見二者偏差較小，表明計算模型和計算結果可信。
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