燃氣輪機動力渦輪組件的強度分析
摘要：燃氣輪機動力渦輪組件是燃氣輪機的主要組件之一,由於其不僅工作溫度高，而且還要承受燃氣輪機在起動和停機時，因溫度劇烈變化引起的熱衝擊，工作條件惡劣，故渦輪組件是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件，為確保有足夠的壽命。本文重點對某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子葉片的強度特性進行了分析，並驗證了其穩定性及可靠性。本文使用sam cef/field軟體的轉子動力學分析模組對該轉子葉片進行了分析計算。根據機組實際運行的條件，計算了該機組轉子具有較小的臨界轉速、穩態不平衡回響、葉片丟失瞬態回響等。計算結果表明．臨界轉速安全係數合理；轉子系統選取的平衡量具有較小的振動幅值；轉子的瞬態回響結果驗證了結構方案的合理性，轉子系統具有較好的穩定性。得出了此轉子結構方案能保證低壓渦輪壓氣機穩定運行的結論，從而為燃氣輪機的可靠性、維修性、保障性提供了參考。
關鍵字：低壓渦輪；強度；轉速；振動；可靠性
1 前言
上世紀二十年代，德國人霍爾茨瓦特製成第一台實用的燃氣輪機，其效率為13%、功率為370千瓦，自此之後，燃氣輪機就逐漸進入了人們的生活領域。燃氣輪機、汽輪機、發電機及電動機等都是典型的鏇轉機械，都以轉子作為工作主體。轉子連同軸承、支座等稱為轉子----支承系統。機組運轉時．轉子系統常常發生振動，而振動產生噪聲。降低了機組的工作效率；嚴重的振動會導致轉子斷裂，造成重大危害。轉子----支承系統的振動是多樣的，包括轉軸的扭曲振動、彎曲振動和輪盤葉片的振動等。轉軸的振動較為複雜，牽涉的因素較多。轉子動力學就是以轉軸的彎曲振動作為主要研究對象的。
轉子的不平衡量所引起的振動屬於“強迫振動”，它的角頻率和轉動角速度相等。對於高速轉子，除了不平衡質量引起的振動以外，還有頻率與轉動角速度不相等的振動，稱為“渦動”。轉子連線件配合面的摩擦、轉軸的內阻、軸承油膜力或密封引起的氣動力等都是產生渦動的因素。理論上，轉軸的這種渦動屬於“自激振動”[1]。渦動甚至可以破壞轉軸或軸承。
本文研究的對象是該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子葉片，通過對轉子----支承建模，使用sam cef專業轉子動力學分析軟體，採用有限元素法分析了其轉子動力學特性，包括轉子的臨界轉速計算、穩態不平衡回響分析、轉子穩定性分析等。驗證了其在工程套用方面的可用性及可靠性。同時得出了分析其動力學特性的基本方法及結論。
2 結構簡介
該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子呈軸流輪轂式整體結構，它由9級低壓壓氣機和l級低壓渦輪組成，低壓壓氣機與低壓渦輪之問通過低壓渦輪軸連線並以花鍵傳遞扭矩（見圖1）。0～8級低壓壓氣機輪盤、葉片材料為鈦合金；低壓渦輪盤、葉片材料為高溫合金；低壓渦輪軸材料為馬氏體不鏽鋼。低壓渦輪壓氣機轉子呈3點支承結構。前支承採用徑向止推滾珠軸承，支承點位於壓氣機o級輪盤的前段，由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成；中間支承採用滾柱軸承．由擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成，支承點位於低壓壓氣機後軸徑後段；後支承採用滾柱軸承，由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成，支承點位於低壓渦輪軸後段。
3 計算模型
該型燃機低壓渦輪壓氣機轉子的3d模型較大，這將導致在格線劃分以及計算過程中花費大量時間，因此我們對本機組的計算採用2d軸對稱模型。在總體直角坐標系下建立二維軸對稱單元，其種類有3節點或高階6節點的三角形單元、4節點或高階8節點的四邊形單元。每個節點有9個自由度，前6個自由度與梁單元一樣，分別為沿鏇轉軸線方向的拉伸和扭轉，以及由彎曲而引起的其他2個方向的線位移和角位移。另外，3個自由度與鏇轉軸的橫截面變形有關，分別為拉伸引起的徑向位移和彎曲引起的2個切向位移。同時．使用這類單元可以很好地模擬轉子的“渦動效應”。
建立總體直角坐標系（x,y,z）和局部圓柱坐標系(e1,z,e2)。設定(u1,u2,u3,ø1,ø2,ø3)為局部坐標系下的位移分量,將它們沿0向按傅立葉級數展開如下：
式中：n為波數; m為相數。每個諧函式(n,m)對應1個結構的基本變形[2]。
低壓渦輪壓氣機轉子的壓氣機葉盤間的連線方式為焊接或螺栓緊固．渦輪葉盤與渦輪軸之間也是以螺栓緊固的方式連線，低壓壓氣機與低壓渦輪軸之間的連線為花鍵。以此為依據進行整體建模。低壓渦輪壓氣機轉子葉片較長，其質量及轉動慣量都很大，會產生較大的離心力和迴轉力矩，這種迴轉效應會對轉子的臨界轉速產生比較大的影響．葉片等效簡化為集中質量加到計算模型中。