CN116361960A - 一种燃气轮机径向间隙设计方法 - Google Patents

一种燃气轮机径向间隙设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，公开了一种燃气轮机径向间隙设计方法，根据燃气轮机设计点转子温度、压力、离心力及转速，利用有限元分析获得设计点的转子变形量；根据燃气轮机设计点静子温度、压力，利用有限元分析获得设计点的静子变形量；利用转静子配合处的热态径向控制间隙，以及设计点的转子变形量、设计点的静子变形量，计算获得燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值，利用设计值结果计算燃气轮机不同热态工况下转静子径向间隙，使计算的热态间隙更加接近实际热态间隙值，符合燃气轮机径向间隙安全性设计要求，为准确分析和评估转静子间隙提供了较为准确的数据支持。

Description

一种燃气轮机径向间隙设计方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，公开了一种燃气轮机径向间隙设计方法。
背景技术
燃气轮机转静子径向间隙对燃气轮机性能与安全等有着重要的意义，有数据表明，轴流压气机工作叶片叶尖间隙增加1%，级间效率下降1%，同时，燃气轮机转静子间隙设计不合理是燃气轮机故障的重要原因之一。因此，如何设计好转静子之间的径向间隙，既能够保住性能也能实现燃气轮机安全，成为当今世界燃气轮机设计重要瓶颈之一。
目前国内外计算转静子径向间隙设计往往采用传统的计算方法，即将燃气轮机设计点的热态间隙加上强度计算的转静子径向变形量差作为其冷态径向设计间隙，并以此冷态间隙逆算燃气轮机其他工况的热态间隙，以提供性能专业评估。该方法保证了燃气轮机设计点的性能要求，但在计算各工况的热态间隙时，只考虑了转静子的尺寸公差、形位公差，未考虑燃气轮机安全性设计原则，即没有考虑燃气轮机支点同心度、转静子跳动、轴承径向游隙的影响，以及过载变形、转子涡动量等情况下转静子变形量对径向间隙的影响，因此，该方法所得结构与燃气轮机实际工作状态仍存在较大偏差，不能保证燃气轮机转静子是否发生了碰磨，或者碰磨量大小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机径向间隙设计方法，设计值结果与燃气轮机实际装配后冷态以及不同热态工况下转静子径向间隙更加接近，符合燃气轮机径向间隙安全性设计要求，为准确分析和评估转静子间隙提供了较为准确的数据支持。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种燃气轮机径向间隙设计方法，包括：
根据燃气轮机设计点转子温度、压力、离心力及转速，利用有限元分析获得设计点的转子变形量；
根据燃气轮机设计点静子温度、压力，利用有限元分析获得设计点的静子变形量；
利用转静子配合处的热态径向控制间隙值，以及设计点的转子变形量、设计点的静子变形量，计算获得燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值。
进一步地，所述燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值根据公式
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计算获得，其中/>
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为转静子配合处的热态径向控制间隙值，/>
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为设计点的转子变形量，/>
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为设计点的静子变形量。
进一步地，根据获得的转静子冷态径向间隙设计值计算不同工况下的转静子最小热态间隙
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为对应工况下轴承径向位置变化对径向间隙的影响量，/>
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为不同位置静子同心度对径向间隙的影响量，/>
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为对应工况下转、静子跳动对径向间隙的影响量；
若不同工况下的转静子最小热态间隙大于等于预设阈值，则判断转静子冷态径向间隙设计值满足设计要求，否则调整设计点热态径向控制间隙值，使不同况下最小热态间隙满足要求。
进一步地，对应工况下外环径向位移量
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取值范围均为1～1.2。
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进一步地，当转静子径向间隙为篦齿蜂窝间隙时，所述预设阈值取值为-0.5mm；当转静子径向间隙为叶尖涂层间隙时，所述预设阈值取值为-0.1mm。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明利用有限元分析获得设计点的转子变形量和设计点的静子变形量，利用转静子配合处的热态径向控制间隙值，以及设计点的转子变形量、设计点的静子变形量，计算获得燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值，设计值结果与燃气轮机实际装配后冷态以及不同热态工况下转静子径向间隙更加接近，符合燃气轮机径向间隙安全性设计要求，为准确分析和评估转静子间隙提供了较为准确的数据支持。
附图说明
图1为实施例中冷（实线）、热（虚线）工况下转静子径向位移示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
一种燃气轮机径向间隙设计方法，包括：
根据燃气轮机设计点转子温度、压力、离心力及转速，利用有限元分析获得设计点的转子变形量；
根据燃气轮机设计点静子温度、压力，利用有限元分析获得设计点的静子变形量；
利用转静子配合处的热态径向控制间隙值，以及设计点的转子变形量、设计点的静子变形量，计算获得燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值。
在本实施例中，利用有限元分析获得设计点的转子变形量和设计点的静子变形量，利用转静子配合处的热态径向控制间隙值，以及设计点的转子变形量、设计点的静子变形量，计算获得燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值，设计值结果与燃气轮机实际装配后冷态以及不同热态工况下转静子径向间隙更加接近，符合燃气轮机径向间隙安全性设计要求，为准确分析和评估转静子间隙提供了较为准确的数据支持。
参见图1，本实施例中的燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值根据公式
Figure SMS_39
计算获得，其中/>
Figure SMS_40
为转静子配合处的热态径向控制间隙值，/>
Figure SMS_41
为设计点的转子变形量，/>
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为设计点的静子变形量。
本实施中根据获得燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值，计算不同工况下的转静子最小热态间隙
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，其中/>
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，/>
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为对应工况下内环径向位移量，/>
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为对应工况下外环径向位移量，/>
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为对应工况下轴承径向位置变化对径向间隙的影响量，/>
Figure SMS_49
为不同位置静子同心度对径向间隙的影响量，/>
Figure SMS_50
为对应工况下转、静子跳动对径向间隙的影响量，/>
Figure SMS_43
可根据零件加工精度要求获得；
若不同工况下的转静子最小热态间隙大于等于预设阈值，则判断转静子冷态径向间隙设计值满足设计要求，否则调整设计点热态径向控制间隙值，使不同况下最小热态间隙满足要求。该方法在获得燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值的基础上，进一步考虑燃气轮机支点同心度、转静子跳动、轴承径向游隙的影响，以及过载变形、转子涡动量、过渡态等情况下转静子变形量对径向间隙的影响是否满足设计要求，对获得燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值进行验证和调整，考虑因素更加全面，能够进一步满足燃气轮机实际装配后冷态以及不同热态工况下转静子径向间隙要求。
本实施例中，当转静子径向间隙为篦齿蜂窝间隙时，所述预设阈值取值为-0.5mm；当转静子径向间隙或叶尖涂层间隙时，所述预设阈值取值为-0.1mm。
其中，对应工况下外环径向位移量
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，其中/>
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为温度、离心载荷对静子的径向位移影响量，/>
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为单位过载对静子的径向位移影响量，/>
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为经验修正系数，/>
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取值范围均为1～1.2。
对应工况下内环径向位移量
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为温度、离心载荷对静子的径向位移影响量，/>
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为单位过载对静子的径向位移影响量，/>
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为陀螺力矩对静子的径向位移影响量，/>
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、/>
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均采用有限元计算得到，/>
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、/>
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为经验修正系数，/>
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Figure SMS_67
取值范围均为1～1.2。
对应工况下轴承径向位置变化对径向间隙的影响量
Figure SMS_69
，其中/>
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为转子部件前轴承和后轴承之间的轴向间距，/>
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为转子部件与前轴承之间的轴向间隙，/>
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为前轴承的径向游隙，/>
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为后轴承的径向游隙。
不同位置静子同心度对径向间隙的影响量
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，其中/>
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为转子部件前轴承和后轴承之间的轴向间距，/>
Figure SMS_76
为转子部件与前轴承之间的轴向间隙，/>
Figure SMS_77
为静子同心度设计值。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃气轮机径向间隙设计方法，其特征在于，包括：
根据燃气轮机设计点转子温度、压力、离心力及转速，利用有限元分析获得设计点的转子变形量；
根据燃气轮机设计点静子温度、压力，利用有限元分析获得设计点的静子变形量；
利用转静子配合处的热态径向控制间隙值，以及设计点的转子变形量、设计点的静子变形量，计算获得燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机径向间隙设计方法，其特征在于，所述燃气轮机转静子冷态径向间隙设计值根据公式
Figure QLYQS_1
计算获得，其中/>
Figure QLYQS_2
为转静子配合处的热态径向控制间隙值，/>
Figure QLYQS_3
为设计点的转子变形量，/>
Figure QLYQS_4
为设计点的静子变形量。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机径向间隙设计方法，其特征在于，根据获得的转静子冷态径向间隙设计值计算不同工况下的转静子最小热态间隙
Figure QLYQS_5
，其中/>
Figure QLYQS_6
，
Figure QLYQS_7
为对应工况下内环径向位移量，/>
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为对应工况下外环径向位移量，/>
Figure QLYQS_9
为对应工况下轴承径向位置变化对径向间隙的影响量，/>
Figure QLYQS_10
为不同位置静子同心度对径向间隙的影响量，/>
Figure QLYQS_11
为对应工况下转、静子跳动对径向间隙的影响量；
若不同工况下的转静子最小热态间隙大于等于预设阈值，则判断转静子冷态径向间隙设计值满足设计要求，否则调整设计点热态径向控制间隙值，使不同况下最小热态间隙满足要求。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机径向间隙设计方法，其特征在于，对应工况下外环径向位移量
Figure QLYQS_12
，其中/>
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为温度、离心载荷对静子的径向位移影响量，/>
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为单位过载对静子的径向位移影响量，/>
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、/>
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均采用有限元计算得到，/>
Figure QLYQS_17
为经验修正系数，
Figure QLYQS_18
取值范围均为1～1.2。
5.根据权利要求3所述的燃气轮机径向间隙设计方法，其特征在于，对应工况下内环径向位移量
Figure QLYQS_20
，其中/>
Figure QLYQS_22
为温度、离心载荷对转子的径向位移影响量，
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为单位过载对转子的径向位移影响量，/>
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为陀螺力矩对静子的径向位移影响量，/>
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、
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、/>
Figure QLYQS_29
均采用有限元计算得到，/>
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、/>
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为经验修正系数，/>
Figure QLYQS_26
、/>
Figure QLYQS_28
取值范围均为1～1.2。
6.根据权利要求3所述的燃气轮机径向间隙设计方法，其特征在于，对应工况下轴承径向位置变化对径向间隙的影响量
Figure QLYQS_30
，其中/>
Figure QLYQS_31
为转子部件前轴承和后轴承之间的轴向间距，/>
Figure QLYQS_32
为转子部件与前轴承之间的轴向间隙，/>
Figure QLYQS_33
为前轴承的径向游隙，/>
Figure QLYQS_34
为后轴承的径向游隙。
7.根据权利要求3所述的燃气轮机径向间隙设计方法，其特征在于，不同位置静子同心度对径向间隙的影响量
Figure QLYQS_35
，其中/>
Figure QLYQS_36
为转子部件前轴承和后轴承之间的轴向间距，
Figure QLYQS_37
为转子部件与前轴承之间的轴向间隙，/>
Figure QLYQS_38
为静子同心度设计值。
8.根据权利要求3-7任意一项所述的燃气轮机径向间隙设计方法，其特征在于，当转静子径向间隙为篦齿蜂窝间隙时，所述预设阈值取值为-0.5mm；当转静子径向间隙为叶尖涂层间隙时，所述预设阈值取值为-0.1mm。
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