CN115329620A - 一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法 - Google Patents

一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115329620A
CN115329620A CN202210790805.5A CN202210790805A CN115329620A CN 115329620 A CN115329620 A CN 115329620A CN 202210790805 A CN202210790805 A CN 202210790805A CN 115329620 A CN115329620 A CN 115329620A
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
stress
calculation
component
data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210790805.5A
Other languages
English (en)
Inventor
张馨
邱中辉
孙彦博
舒春英
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
703th Research Institute of CSIC
Original Assignee
703th Research Institute of CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 703th Research Institute of CSIC filed Critical 703th Research Institute of CSIC
Priority to CN202210790805.5A priority Critical patent/CN115329620A/zh
Publication of CN115329620A publication Critical patent/CN115329620A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明的目的在于提供一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法，采用下列步骤：对涡轮高温部件的使用材料进行力学性能试验，获得不同温度条件下的应力—应变曲线，将试验曲线折算成强度计算需要的不同温度条件下应力—塑性应变曲线做为材料属性施加到强度计算模型中。将涡轮高温部件温度场、流场、压力场分析后，确定的温度、压力数据做为外载荷条件施加到高温部件的静强度分析中，计算得到高温部件在实际工作条件下详细的温度、应力数据。利用材料持久极限数据对高温部件进行持久寿命的评估。本发明能详细准确地模拟船用燃机高温部件所有部位的应力分布，快速全面地计算高温部件的持久寿命裕度。

Description

一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机寿命评估方法，具体地说是涡轮高温部件的寿命评估方法。
背景技术
燃气轮机是将高温、高压燃烧气体的热能转化为机械能的一种旋转机械装置。在工作过程中燃烧室、涡轮结构等部件在高温、高转速恶劣的环境下工作，最高工作温度可达到1000℃左右。由于工作条件恶劣，这些高温部件的使用寿命远小于冷端部件的使用寿命。燃机高温部件的持久使用寿命是燃机整体的寿命评估的关键指标。目前燃机的耐久性和持久寿命评估过程是利用高温部件的持久使用寿命来确定燃机大修期时间间隔以及船用燃机整体的持久使用寿命。
船用燃机发动机通常用于船舶动力装置和船舶内部发电装置。船用燃机有运行工况少、维修间隔时间长、长使用寿命等特点。与航空燃机发动机相比较，航空发动机的使用寿命为几千小时，而船用燃机发动机的使用寿命为10万小时以上。因此，船用燃机的持久使用寿命评估需要更多的材料强度参数数据，评估的计算工作量更大，评估的难度更高。
传统的燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估过程为：计算出部件在工作条件下的应力分布，找到最危险应力区域，依据危险区域的应力数值评估部件的持久寿命裕度。通常使用这种方法评估的准确度与使用者的工程经验相关。因为危险区域的判断过程比较复杂。首先，涡轮高温部件的结构十分复杂，如高低压涡轮动叶、高低压涡轮导向器等部件，它的内部设计有空气冷却通道。其次，高温部件各部位的温度与应力分布不相同。应力大的部位温度不一定最高，温度最高的部位应力不一定最大。所以需要依据经验划定几个危险区域，计算考核持久寿命裕度。最后把持久寿命裕度最低的部位为危险区域。整个寿命评估的准确程度不仅依赖于计算者的工程经验，并且计算过程复杂繁琐。因此需要一种能够准确评估出高温部件整体每个部位的持久寿命裕度的计算方法，来保证燃机高温部件持久寿命计算评估的全面性和准确性。所以一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算方法的研究十分必要。这对船用燃机新型号的研发工作深入开展，具有重要的工程价值。
发明内容
本发明的目的在于提供提高全面性、准确性、高效性的一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法，其特征是：
(1)对所评估的燃机高温部件三维几何模型进行简化，划分有限元计算网格；
(2)对高温部件计算模型施加密度、不同温度条件下的弹性模量、线膨胀系数、热传导系数，不同温度下材料应力—塑性应变曲线。
(3)对部件计算模型施加温度、气动外力载荷，施加位移约束条件：对计算高温部件进行流场计算，计算出高温部件模型结点的温度值以及局部气动压力数据；将流场计算得到的模型节点的温度和气动压力数据通过差值计算，施加到静强度计算模型对应节点上；对计算模型施加其它外力载荷，包括离心力、扭矩；对计算模型施加位移约束，对于循环对称模型要施加循环对称边界约束，接触部位施加接触约束；
(4)使用有限元计算软件完成高温部件模型的静强度计算；
(5)使用二次开发后处理程序读取高温部件模型中每个节点的静强度应力、应变计算值；
(6)利用材料L-M持久强度曲线计算部件高温持久寿命裕度值，计算公式为：
P＝f(σ)＝TA(logt+C)
其中：P为计算参数，σ为应力，TA为试验温度，t为试验时间，C为常数；
(7)显示部件高温持久寿命裕度值彩色云图：将步骤(6)中计算得出的部件模型每个节点的寿命裕度值写入有限元静强度计算结果文件；使用计算软件后处理平台读入包含节点寿命裕度值的静强度结果文件；利用后处理平台显示部件高温部件持久寿命裕度云图。
本发明还可以包括：
1、步骤(2)具体为：
通过力学实验测得材料20℃—950℃范围内应力—应变曲线；利用不同温度条件下的应力—应变数据推算出不同温度的弹性模量数据；将20℃—950℃范围内应力—应变曲线实验数据转化为计算用真实应力—应变数据，然后折算相应温度的应力——塑性应变数据；材料数据处理转化使用到以下公式，其中公式εtrue＝ln(1+εnom)、σtrue＝σnom(1+εnom)用于材料实验数据转换为计算用真实数据，使用公式
Figure BDA0003733856770000031
折算算用塑性应变数据，
其中：εtrue和σtrue为真实应变和真实应力，εnom和σnom为试验测得应变和试验测得应力，εpl为弹性应变，E为材料弹性模量；
将处理完成的不同温度条件下弹性模量、应力—塑性应变数据及热传导率、热膨胀系数相关数据设置到计算模型材料属性中。
2、步骤(6)具体为：
确定高温部件的设计使用寿命小时数；利用材料L-M持久强度曲线推算出高温部件材料不同温度条件下，设计寿命时长的持久极限应力；使用二次开发软件读取不同温度条件下，高温部件材料持久极限应力数据；根据计算模型每个节点的温度值，差值计算出每个节点温度对应的持久极限应力值；利用寿命裕度计算公式计算出高温部件计算模型中每个节点的持久寿命裕度值，寿命裕度计算公式为：
Figure BDA0003733856770000032
其中：nτ为高温持久寿命裕度，
Figure BDA0003733856770000033
为工作温度条件下，设计寿命小时数的持久极限应力，
Figure BDA0003733856770000034
为部件计算得出工作温度条件下，局部最大应力值。
本发明的优势在于：本发明能详细准确地模拟船用燃机高温部件所有部位的应力分布，快速全面地计算高温部件的持久寿命裕度，并且计算结果可以彩色云图的形式直观显示，可以提取计算模型中每个节点的持久寿命裕度。这对长寿命的船用燃机涡轮高温部件的静强度计算与持久寿命评估工作有着重要的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的船用燃机高温部件应力计算、高温持久寿命评估流程图；
图2为完成高温部件寿命评估计算的二次开发程序流程图；
图3为实验测得不同温度应力应变曲线；
图4为本发明计算完成的高压涡轮叶片寿命裕度云图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，本发明以计算高压涡轮动叶为对象，完成高压涡轮动叶的持久寿命计算评估。具体过程由以下步骤实现的：
步骤1：对所评估的燃机高温部件三维几何模型进行简化，划分有限元计算网格。
步骤2：对高温部件计算模型施加密度、不同温度条件下的弹性模量、线膨胀系数、热传导系数，不同温度下材料应力—塑性应变曲线等材料属性。①首先通过力学实验测得20℃—950℃范围内材料应力—应变曲线。②利用不同温度条件下的应力—应变数据推算出不同温度的弹性模量数据。③将20℃—950℃范围内应力—应变曲线实验数据转化为计算用真实应力—应变数据，然后折算相应温度的应力——塑性应变数据。材料数据处理转化使用到以下公式。其中公式(1)(2)用于材料实验数据转换为计算用真实数据。使用公式(3)折算算用塑性应变数据：
εtrue＝ln(1+εnom) ⑴
σtrue＝σnom(1+εnom) ⑵
Figure BDA0003733856770000041
其中：εtrue和σtrue为真实应变和真实应力，εnom和σnom为试验测得应变和试验测得应力。εpl为弹性应变，E为材料弹性模量。④将处理完成的不同温度条件下弹性模量、应力—塑性应变数据及热传导率、热膨胀系数相关数据设置到计算模型材料属性中。
步骤3：对部件计算模型施加温度、气动等外力载荷，施加位移约束条件。①首先对计算部件进行流场计算，得出计算模型结点的温度值以及局部气动压力数据。②将流场计算得到的模型节点的温度，气动压力数据通过差值计算，施加到静强度计算模型对应节点上。③对计算模型施加其它外力载荷，如离心力，扭矩等。④对计算模型施加位移约束，对于循环对称模型要施加循环对称边界约束，接触部位施加接触约束等。
步骤4：使用有限元计算软件进对部件模型行静强度计算。
步骤5：使用二次开发后处理程序读取高温部件模型中每个节点的静强度应力、应变计算值。
步骤6：利用材料L-M持久强度曲线计算部件高温持久寿命裕度值，计算公式为：
P＝f(σ)＝TA(logt+C) ⑷
其中：P为计算参数，σ为应力，TA为试验温度，t为试验时间，C为常数(由试验确定)。
①首先确定高温部件的设计使用寿命小时数。②利用材料L-M持久强度曲线推算出高温部件材料不同温度条件下，设计寿命时长的持久极限应力。(20℃—950℃范围内，材料100℃间隔或50℃间隔的不同温度的持久极限值。)③使用二次开发软件读取不同温度条件下，高温部件材料持久极限应力数据。④根据计算模型每个节点的温度值，差值计算出每个节点温度对应的持久极限应力值。⑤利用寿命裕度计算公式计算出高温部件计算模型中每个节点的持久寿命裕度值，寿命裕度计算公式为：
Figure BDA0003733856770000051
其中：nτ为高温持久寿命裕度，
Figure BDA0003733856770000052
为工作温度条件下，设计寿命小时数的持久极限应力，
Figure BDA0003733856770000053
为部件计算得出工作温度条件下，局部最大应力值。
步骤7：显示部件高温持久寿命裕度值彩色云图。①首先将步骤6中计算得出的部件模型每个节点的寿命裕度值写入有限元静强度计算结果文件。②使用计算软件后处理平台读入包含节点寿命裕度值的静强度结果文件。③利用后处理平台显示部件高温部件持久寿命裕度云图。
步骤1使用三维实体建模软件UG建立计算部件的三维几何模型。几何模型网格划分在有限元计算软件ABAQUS中，选取二阶实体单元进行网格划分，对孔、倒角等局部网格加密，建立部件计算网格模型。
步骤3中所述，部件计算模型的温度、气动载荷数据是使用流体计算软件CFX计算得出的。使用有限元计算软件ABAQUS中差值计算后，施加到部件计算模型中。
步骤6中所述，读取不同温度条件下，部件材料持久极限数据，根据计算模型每个节点的温度数据差值计算出每个节点对应的持久应力数值的计算过程是使用Python语言编写二次开发程序计算完成的。
步骤7中所述，显示部件高温持久寿命裕度值彩色云图。是使用二次开发程序将节点高温持久寿命裕度值写入有限元计算软件ABAQOS的计算结果文件中，利用软件ABAQOS的后处理平台显示寿命裕度云图。

Claims (3)

1.一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法，其特征是：
(1)对所评估的燃机高温部件三维几何模型进行简化，划分有限元计算网格；
(2)对高温部件计算模型施加密度、不同温度条件下的弹性模量、线膨胀系数、热传导系数，不同温度下材料应力—塑性应变曲线。
(3)对部件计算模型施加温度、气动外力载荷，施加位移约束条件：对计算高温部件进行流场计算，计算出高温部件模型结点的温度值以及局部气动压力数据；将流场计算得到的模型节点的温度和气动压力数据通过差值计算，施加到静强度计算模型对应节点上；对计算模型施加其它外力载荷，包括离心力、扭矩；对计算模型施加位移约束，对于循环对称模型要施加循环对称边界约束，接触部位施加接触约束；
(4)使用有限元计算软件完成高温部件模型的静强度计算；
(5)使用二次开发后处理程序读取高温部件模型中每个节点的静强度应力、应变计算值；
(6)利用材料L-M持久强度曲线计算部件高温持久寿命裕度值，计算公式为：
P＝f(σ)＝TA(logt+C)
其中：P为计算参数，σ为应力，TA为试验温度，t为试验时间，C为常数；
(7)显示部件高温持久寿命裕度值彩色云图：将步骤(6)中计算得出的部件模型每个节点的寿命裕度值写入有限元静强度计算结果文件；使用计算软件后处理平台读入包含节点寿命裕度值的静强度结果文件；利用后处理平台显示部件高温部件持久寿命裕度云图。
2.根据权利要求1所述的一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法，其特征是：步骤(2)具体为：
通过力学实验测得材料20℃—950℃范围内应力—应变曲线；利用不同温度条件下的应力—应变数据推算出不同温度的弹性模量数据；将20℃—950℃范围内应力—应变曲线实验数据转化为计算用真实应力—应变数据，然后折算相应温度的应力——塑性应变数据；材料数据处理转化使用到以下公式，其中公式εtrue＝ln(1+εnom)、σtrue＝σnom(1+εnom)用于材料实验数据转换为计算用真实数据，使用公式
Figure FDA0003733856760000021
折算算用塑性应变数据，
其中：εtrue和σtrue为真实应变和真实应力，εnom和σnom为试验测得应变和试验测得应力，εpl为弹性应变，E为材料弹性模量；
将处理完成的不同温度条件下弹性模量、应力—塑性应变数据及热传导率、热膨胀系数相关数据设置到计算模型材料属性中。
3.根据权利要求1所述的一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法，其特征是：步骤(6)具体为：
确定高温部件的设计使用寿命小时数；利用材料L-M持久强度曲线推算出高温部件材料不同温度条件下，设计寿命时长的持久极限应力；使用二次开发软件读取不同温度条件下，高温部件材料持久极限应力数据；根据计算模型每个节点的温度值，差值计算出每个节点温度对应的持久极限应力值；利用寿命裕度计算公式计算出高温部件计算模型中每个节点的持久寿命裕度值，寿命裕度计算公式为：
Figure FDA0003733856760000022
其中：nτ为高温持久寿命裕度，
Figure FDA0003733856760000023
为工作温度条件下，设计寿命小时数的持久极限应力，
Figure FDA0003733856760000024
为部件计算得出工作温度条件下，局部最大应力值。
CN202210790805.5A 2022-07-06 2022-07-06 一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法 Pending CN115329620A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210790805.5A CN115329620A (zh) 2022-07-06 2022-07-06 一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210790805.5A CN115329620A (zh) 2022-07-06 2022-07-06 一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115329620A true CN115329620A (zh) 2022-11-11

Family

ID=83917263

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210790805.5A Pending CN115329620A (zh) 2022-07-06 2022-07-06 一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115329620A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116205116A (zh) * 2023-05-05 2023-06-02 江铃汽车股份有限公司 一种评估波纹管强度的cae分析方法及系统
CN118192363A (zh) * 2024-04-10 2024-06-14 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 深度调峰汽轮机基于相对应力裕度的闭环控制方法及装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116205116A (zh) * 2023-05-05 2023-06-02 江铃汽车股份有限公司 一种评估波纹管强度的cae分析方法及系统
CN118192363A (zh) * 2024-04-10 2024-06-14 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 深度调峰汽轮机基于相对应力裕度的闭环控制方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115329620A (zh) 一种船用燃机涡轮高温部件的持久寿命计算评估方法
CN111460583B (zh) 一种针对复杂几何结构件的蠕变-疲劳寿命设计方法
CN102682208B (zh) 基于Bayes信息更新的涡轮盘概率故障物理寿命预测方法
Visser Generic Analysis Methods for Gas Turbine Engine Performance: The development of the gas turbine simulation program GSP
CN112507452A (zh) 航空发动机涡轮叶片可靠性数字孪生建模方法
Li et al. An adaptation approach for gas turbine design-point performance simulation
CN111859746B (zh) 一种基于流场重构的透平机械变工况性能预测方法
CN104316388A (zh) 一种对各向异性材料结构件进行疲劳寿命测定的方法
Sridhar et al. CFD aerodynamic performance validation of a two-stage high pressure turbine
Li et al. Improved method for gas-turbine off-design performance adaptation based on field data
Lim et al. Aerothermodynamics and exergy analysis in radial turbine with heat transfer
Tomevenya et al. Probabilistic fatigue-creep life reliability assessment of aircraft turbine disk
CN114139345B (zh) 一种基于试验数据相关性的涡轴发动机输出轴功率预测方法
CN109885875A (zh) 一种涡轮叶片概率损伤容限分析方法
CN118013814A (zh) 一种高温气冷涡轮叶片寿命预测方法
Gaitanis et al. Towards real time transient mGT performance assessment: Effective prediction using accurate component modelling techniques
Mazur et al. Evaluation of Creep Damage in a Gas Turbine First Stage Blade
CN113420473A (zh) 预测涡轮叶轮寿命的方法
CN112364552A (zh) 一种基于有限元的高压气缸动态热应力分析方法
Vedam et al. Evaluation of Gradient and Curvature-Based Adaptive Mesh Refinement for Viscous Transonic Flows
Yong et al. Nonlinear adaptation for performance model of an aero engine using QPSO
Shen et al. Modeling and simulation of aero-derivative gas turbine for power generation
Cirigliano et al. Creep-damage modelling for micro gas turbine combustion chambers lifetime prediction
Shi et al. An Integrated Creep Damage Analysis Method of Turbine Blades Based on the Service History
CN118761334B (zh) 基于多层前馈神经网络的涡轮导叶过渡态温度场预估方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination