CN110489925A - 一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法，涉及一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽。步骤为建立标准枞树型叶根叶槽库；从标准枞树型叶根叶槽库中筛选出标准叶根叶槽型线；将筛选出的标准叶根叶槽型线进行模化；根据几何约束条件进一步筛选出叶根叶槽型线；调整叶根叶槽型线的非工作面间隙和槽底间隙；建立燃气轮机涡轮叶片和轮盘三维模型，设定安全标准，输出满足安全标准的叶根叶槽型线，若无满足安全标准的叶根叶槽型线，则无输出；给定目标函数，输出使得目标函数最小的叶根叶槽型线。本发明实现叶根叶槽结构标准化设计；本发明设计方法设计周期短，得到的叶根叶槽结构具有高可靠性。

Description

一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽，尤其涉及一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法。

背景技术

枞树型叶根叶槽结构具有材料利用合理、承载面积多、周向尺寸小和拆装方便等优点，因此在燃气轮机涡轮叶盘连接中普遍采用这种连接形式。由于叶根叶槽结构受到包括叶片离心力、热应力、气动力、振动以及微动磨损等复杂载荷的作用，同时由于榫齿间过渡圆弧半径较小，使得榫接部位产生非常严重的应力集中现象，所以不合理的榫接结构经常造成燃气轮机故障。国内对叶根叶槽结构的设计，目前大都是基于传统人工选型模化的设计方法，但是该设计方法周期较长，且设计结果缺乏一定的可靠性，需要经过试验验证。同时由于缺乏完善的设计方法，无法实现标准化设计，不能根据不同载荷及工作条件选择相应的叶根叶槽结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种实现不同载荷及工作条件下高可靠性叶根叶槽结构快速设计的燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法，首先建立标准枞树型叶根叶槽库，所述标准枞树型叶根叶槽库中包括已应用于成熟机组的标准叶根叶槽型线，包括以下步骤：

S1：给定叶片数Z1，轮缘外径RR1和叶槽径向高度HH1，所述每个标准叶根叶槽型线具有标准叶根顶部节距Ai和标准叶槽径向高度HHi，计算公式：

(2*π*RR1/(Z1*HH1)):(Ai/HHi)

从标准枞树型叶根叶槽库中筛选出使公式的值为0.9-1.1的标准叶根叶槽型线，同时得到每个标准叶根叶槽型线的模化比mi，所述模化比mi计算公式为：

mi＝HH1/HHi；

S2：对步骤S1中筛选出的每个标准叶根叶槽型线进行模化，得到模化后的叶根叶槽型线；

S3：所述步骤S2中模化后的每个叶根叶槽型线具有叶槽颈部最小宽度ddmin和叶根颈部最小宽度bbmin，计算公式：

筛选出公式比值范围为1-2的叶根叶槽型线，给定叶片是否有冷却，对于无冷却叶片，设置阈值b0，进一步筛选出bbmin≥b0的叶根叶槽型线，对于有冷却叶片，设置阈值b1，进一步筛选出bbmin≥b1的叶根叶槽型线；

S4：测量得到步骤S3中筛选出的每个叶根叶槽型线的非工作面长度L₁和叶根槽宽度L₂，调整每个叶根叶槽型线的叶根叶槽非工作面间隙ss1和每个叶根叶槽型线的叶根叶槽槽底间隙ss2；

S5：根据步骤S4得到的每个叶根叶槽型线，给定叶片和轮盘使用的材料，使用软件建立燃气轮机涡轮叶片和轮盘三维模型，所述叶片和轮盘三维模型包括叶根和叶槽三维几何特征，所述叶根和叶槽三维几何特征包括叶根和叶槽三维模型的体积，设定安全标准，输出满足安全标准的叶根叶槽型线，若无满足安全标准的叶根叶槽型线，则无输出，步骤到此结束；

S6：结合步骤S5中输出的满足安全标准的每个叶根叶槽型线所对应的叶根和叶槽三维模型的材料和体积，得到叶根和叶槽的质量和M，给定综合安全系数N，求解目标函数：

所述w₁和w₂为权因子，输出使得F最小的叶根叶槽型线。

进一步地，步骤S3中的b0取值范围为3-20mm，b1取值范围为7-30mm。

进一步地，步骤S6中的w₁取值范围为0.3-0.5，w₂取值范围为0.5-0.7。

进一步地，步骤S4中，调整每个叶根叶槽型线的叶根叶槽非工作面间隙ss1，公式为：

其中，λ₁为导热系数，h₁为换热系数，m₁为冷却空气流量，μ₁为动力粘度，调整每个叶根叶槽型线的叶根叶槽槽底间隙ss2，公式为：

其中，λ₂为导热系数，h₂为换热系数，m₂为冷却空气流量，μ₂为动力粘度，Pr为普朗特数。

进一步地，步骤S5中，设定安全标准的方法为：

采用常规力学计算方法，获得叶根和叶槽挤压应力实际安全系数a1，剪切应力实际安全系数a2，喉部拉伸应力实际安全系数a3，采用三维有限元软件，获得叶片和轮盘在承受真实转速、温度载荷和气动载荷时叶根和叶槽局部最大应力σ，设置许用安全系数[n]和许用应力[σ]，判断每个叶根叶槽型线所对应的叶根和叶槽挤压应力实际安全系数a1，剪切应力实际安全系数a2，喉部拉伸应力实际安全系数a3是否都大于许用安全系数[n]，同时判断每个叶根叶槽型线所对应的叶根和叶槽局部最大应力σ是否小于许用应力[σ]，输出同时满足上述两个判断要求的叶根叶槽型线，若没有同时满足上述两个判断要求的叶根叶槽型线，则无输出，步骤到此结束。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明基于给定的部分叶根叶槽参数，结合不同载荷及工作条件，程序化设计出相应的叶根叶槽结构，实现标准化设计。

2.以往选型多依赖设计人员的经验和直觉，对设计人员要求比较高，且一般无法对数据库中所有叶根叶槽型线进行筛选对比。本发明对设计人员要求不高，且基于标准叶根叶槽型线库设计，库中均是已应用于成熟机组的叶根叶槽型线，设计出的叶根叶槽型线结果最优。

3.本发明通过设置步骤S1对标准叶根叶槽型线库中已应用于成熟机组的叶根叶槽型线进行一次筛选，设置步骤S3对步骤S1中得到的叶根叶槽型线进行二次筛选，通过两次筛选得到最适合进一步设计的叶根叶槽型线，保证了选型的最优化，最终得到最优的叶根叶槽型线。

4.本发明通过设置步骤S5中的安全标准，筛选出符合标准的叶根叶槽型线，使最终得到的叶根叶槽型线符合安全标准，具有高可靠性。

5.本发明基于标准化设计，设计周期短。

6.以往人工选型模化往往经过很多计算之后才发现之前选定的叶根型线不合适。本发明本基于标准化设计，通过程序设置快速进行判别最优解，减少选型迭代次数，提高设计效率，减少设计时间。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明流程图示意图；

图2为叶根叶槽型线示意图；

图3为第二叶根叶槽型线示意图；

具体实施方式

为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例：

如图1-3所示为一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法，建立标准枞树型叶根叶槽库，所述标准枞树型叶根叶槽库中包括已应用于成熟机组的标准叶根叶槽型线，其齿数为3-5个，齿距为7.135mm-12.475mm，楔角为40°，所有标准叶根叶槽型线都存于CAD图纸中。包括以下步骤：

S1：给定叶片数Z1，轮缘外径RR1和叶槽径向高度HH1，所述每个标准叶根叶槽型线具有标准叶根顶部节距Ai和标准叶槽径向高度HHi，计算公式：

(2*π*RR1/(Z1*HH1)):(Ai/HHi)

其中，叶根顶部节距计算公式为2*π*RR1/Z1。从标准枞树型叶根叶槽库中筛选出使公式的值为0.9-1.1的标准叶根叶槽型线，同时得到每个标准叶根叶槽型线的模化比mi，所述模化比mi计算公式为：

mi＝HH1/HHi；

模化比mi用来表征步骤S2中得到的模化后的叶根叶槽型线与应用于成熟机组的标准叶根叶槽型线的关系。

S2：对步骤S1中筛选出的每个标准叶根叶槽型线进行模化，模化比为mi，得到模化后的叶根叶槽型线。

S3：所述步骤S2中模化后的每个叶根叶槽型线具有叶槽颈部最小宽度ddmin和叶根颈部最小宽度bbmin，计算公式：

筛选出公式比值范围为1-2的叶根叶槽型线，给定叶片是否有冷却，对于无冷却叶片，设置阈值b0，b0取值范围为3-20mm，进一步筛选出bbmin≥b0的叶根叶槽型线，对于有冷却叶片，设置阈值b1，b1取值范围为7-30mm，进一步筛选出bbmin≥b1的叶根叶槽型线；

S4：测量得到步骤S3中筛选出的每个叶根叶槽型线的非工作面长度L₁和叶根槽宽度L₂，调整每个叶根叶槽型线的叶根叶槽非工作面间隙ss1，公式为：

其中，λ₁为导热系数，h₁为换热系数，m₁为冷却空气流量，μ₁为动力粘度，调整每个叶根叶槽型线的叶根叶槽槽底间隙ss2，公式为：

其中，λ₂为导热系数，h₂为换热系数，m₂为冷却空气流量，μ₂为动力粘度，Pr为普朗特数；

L₁和L₂可通过CAD软件直接测量获得。通过步骤S1-S3获得的叶根叶槽型线，一般非工作面的间隙和槽底间隙都不能满足设计要求(因为每个叶片的冷却要求都不同，需要不同的冷气量)，因此需要对非工作面间隙和槽底间隙进行调整。导热系数等4个值为设计给定值，会根据不同的设计要求而变化。

S5：根据步骤S4得到的每个叶根叶槽型线，给定叶片和轮盘使用的材料，使用SolidWorks软件建立燃气轮机涡轮叶片和轮盘三维模型，所述叶片和轮盘三维模型包括叶根和叶槽三维几何特征，所述叶根和叶槽三维几何特征包括叶根和叶槽三维模型的体积，设定安全标准，输出满足安全标准的叶根叶槽型线，若无满足安全标准的叶根叶槽型线，则无输出，步骤到此结束。进一步地，采用常规力学计算方法，获得叶根和叶槽挤压应力实际安全系数a1，剪切应力实际安全系数a2，喉部拉伸应力实际安全系数a3，采用三维有限元软件，获得叶片和轮盘在承受真实转速、温度载荷和气动载荷三个条件下的叶根和叶槽局部最大应力σ，设置许用安全系数[n]和许用应力[σ]，判断每个叶根叶槽型线所对应的叶根和叶槽挤压应力实际安全系数a1，剪切应力实际安全系数a2，喉部拉伸应力实际安全系数a3是否都大于许用安全系数[n]，同时判断每个叶根叶槽型线所对应的叶根和叶槽局部最大应力σ是否小于许用应力[σ]，输出同时满足上述两个判断要求的叶根叶槽型线；若没有同时满足上述两个判断要求的叶根叶槽型线，则无输出，步骤到此结束。

许用应力[σ]为应力集中系数乘以屈服极限σ0.2。

S6：结合步骤S5中每个叶根叶槽型线所对应的叶根和叶槽三维模型的材料和体积，得到叶根和叶槽的质量和M。步骤S5中给定的叶片和轮盘的材料同样为叶根和叶槽所用的材料，通过给定的材料可得叶根和叶槽的密度，结合叶根和叶槽的密度和体积就可以得到叶根和叶槽的质量和M。给定综合安全系数N，求解目标函数：

所述w₁和w₂为权因子，输出使得F最小的叶根叶槽型线。

其中，N为综合安全系数，和步骤S5中的的叶根和叶槽挤压应力、剪切应力、喉部拉伸应力安全系数有对应关系式，w₁取值范围为0.3-0.5，w₂取值范围为0.5-0.7。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法，其特征在于：建立标准枞树型叶根叶槽库，所述标准枞树型叶根叶槽库中包括已应用于成熟机组的标准叶根叶槽型线，包括以下步骤：

S1：给定叶片数Z1，轮缘外径RR1和叶槽径向高度HH1，所述每个标准叶根叶槽型线具有标准叶根顶部节距Ai和标准叶槽径向高度HHi，计算公式：

(2*π*RR1/(Z1*HH1)):(Ai/HHi)

从标准枞树型叶根叶槽库中筛选出使公式的值为0.9-1.1的标准叶根叶槽型线，同时得到每个标准叶根叶槽型线的模化比mi，所述模化比mi计算公式为：

mi＝HH1/HHi；

S2：对步骤S1中筛选出的每个标准叶根叶槽型线进行模化，得到模化后的叶根叶槽型线；

S3：所述步骤S2中模化后的每个叶根叶槽型线具有叶槽颈部最小宽度ddmin和叶根颈部最小宽度bbmin，计算公式：

筛选出公式比值范围为1-2的叶根叶槽型线，给定叶片是否有冷却，对于无冷却叶片，设置阈值b0，进一步筛选出bbmin≥b0的叶根叶槽型线，对于有冷却叶片，设置阈值b1，进一步筛选出bbmin≥b1的叶根叶槽型线；

S4：测量得到步骤S3中筛选出的每个叶根叶槽型线的非工作面长度L₁和叶根槽宽度L₂，调整每个叶根叶槽型线的叶根叶槽非工作面间隙ss1和每个叶根叶槽型线的叶根叶槽槽底间隙ss2；

S5：根据步骤S4得到的每个叶根叶槽型线，给定叶片和轮盘使用的材料，使用软件建立燃气轮机涡轮叶片和轮盘三维模型，所述叶片和轮盘三维模型包括叶根和叶槽三维几何特征，所述叶根和叶槽三维几何特征包括叶根和叶槽三维模型的体积，设定安全标准，输出满足安全标准的叶根叶槽型线，若无满足安全标准的叶根叶槽型线，则无输出，步骤到此结束；

S6：结合步骤S5中输出的满足安全标准的每个叶根叶槽型线所对应的叶根和叶槽三维模型的材料和体积，得到叶根和叶槽的质量和M，给定综合安全系数N，求解目标函数：

所述w₁和w₂为权因子，输出使得F最小的叶根叶槽型线。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法，其特征在于：步骤S3中的b0取值范围为3-20mm，b1取值范围为7-30mm。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法，其特征在于：步骤S6中的w₁取值范围为0.3-0.5，w₂取值范围为0.5-0.7。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法，其特征在于：步骤S4中，调整每个叶根叶槽型线的叶根叶槽非工作面间隙ss1，公式为：

其中，λ₁为导热系数，h₁为换热系数，m₁为冷却空气流量，μ₁为动力粘度，

调整每个叶根叶槽型线的叶根叶槽槽底间隙ss2，公式为：

其中，λ₂为导热系数，h₂为换热系数，m₂为冷却空气流量，μ₂为动力粘度，Pr为普朗特数。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮枞树型叶根叶槽模块化设计方法，其特征在于：步骤S5中，设定安全标准的方法为：

采用常规力学计算方法，获得叶根和叶槽挤压应力实际安全系数a1，剪切应力实际安全系数a2，喉部拉伸应力实际安全系数a3，采用三维有限元软件，获得叶片和轮盘在承受真实转速、温度载荷和气动载荷时叶根和叶槽局部最大应力σ，设置许用安全系数[n]和许用应力[σ]，判断每个叶根叶槽型线所对应的叶根和叶槽挤压应力实际安全系数a1，剪切应力实际安全系数a2，喉部拉伸应力实际安全系数a3是否都大于许用安全系数[n]，同时判断每个叶根叶槽型线所对应的叶根和叶槽局部最大应力σ是否小于许用应力[σ]，输出同时满足上述两个判断要求的叶根叶槽型线，若没有同时满足上述两个判断要求的叶根叶槽型线，则无输出，步骤到此结束。