一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法

1.本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法。


背景技术：

2.燃气轮机广泛采用拉杆组合式转子结构，各级轮盘通过中心一根拉杆或周向均布的多个螺栓预紧连接。轮盘强度是组合式转子结构完整性的重要指标，主要载荷包括离心力、预紧力以及热应力。周向拉杆转子可以通过布置多根拉杆实现大预紧力，适合大功率重型燃气轮机，例如美国通用公司和日本三菱重工的重型燃气轮机均采用周向多拉杆转子。但拉杆孔结构设计需要考虑以下两个问题：首先，周向均布的拉杆孔破坏了轴对称结构，因此无法采用轴对称简化模型进行分析，需要建立三维模型而增加设计成本；其次，拉杆孔具有显著的应力集中，在离心力和预紧力综合作用下，应力状态复杂，例如：重型燃气轮机发生过多起因为轮盘拉杆孔裂纹引起的振动超标甚至机组事故。拉杆孔位置不仅影响轮盘应力，而且受拉杆直径、轮盘传扭指标等多方面因素限制。因此，拉杆孔设计对组合式转子轮盘强度分析具有重要意义。
3.在现有技术中，主要采用二维轴对称模型计算和三维实体模型校核方法。二维轴对称模型即忽略非对称结构(拉杆孔、冷却孔等)进行结构设计，主要评估平均应力是否满足要求，对于拉杆孔等非对称结构，需要采用三维有限元进行应力校核。现有分析方法中并未明确燃气轮机轮盘非对称结构的应力分析和结构设计标准。单独采用三维模型计算，耗时严重，对于产品设计或结构优化并不经济实用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法。本发明基于平面应力分析，建立了燃气轮机轮盘拉杆孔应力分析和以解决拉杆孔应力过大而引起的结构失效问题。
5.为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法，该方法用于快速获得应力优化的椭圆孔拉杆孔结构，包括以下步骤：
7.1)基于燃气轮机轮盘预紧力和传扭要求，确定拉杆个数和直径；
8.2)根据拉杆直径、拉杆个数和轮盘换热要求，初步确定拉杆孔直径和节圆直径；
9.3)基于轮盘内和外径参数，建立带拉杆孔轮盘平面应力有限元分析模型；
10.4)考虑拉杆孔节圆直径、拉杆孔周向和径向尺寸，施加离心力载荷，计算拉杆孔应力分布，获得临界孔径弧长比；
11.5)如果孔径弧长比小于临界值，采用椭圆形结构进行应力优化分析，获得拉杆孔优化结构；若孔径弧长比大于临界值，迭代拉杆节圆直径以满足此要求；
12.6)采用实际轮盘3d模型，进行结构应力优化验证。
13.本发明进一步的改进在于，所述的轮盘椭圆形拉杆孔设计，用于平面摩擦传扭轮盘结构，或用于端面齿轮盘结构，在保证传扭能力的前提下，通过改变拉杆孔结构实现应力优化目标。
14.本发明进一步的改进在于，步骤1)中，拉杆数量根据平面接触轮盘和端面齿传扭轮盘两种结构，满足安全裕度而保证转子的整体性和安全性，要求轮盘预紧名义压应力和重力产生的脱开应力之比大于1，实际机组中可达10以上。
15.本发明进一步的改进在于，步骤2)中，拉杆孔径为1.0-1.05倍拉杆直径。
16.本发明进一步的改进在于，步骤3)中，根据初步确定的拉杆孔直径和位置，建立平面应力分析参数化有限元模型，能够快速评估变参数拉杆孔位置的应力集中。
17.本发明进一步的改进在于，步骤4)中，采用步骤3)得到的参数化有限元模型，考虑轮盘离心力，计算不同拉杆直径、不同节圆直径下的拉杆孔无量纲系数即孔径弧长比，得到临界孔径弧长比γ
cr
，即拉杆孔应力最小所对应的参数。
18.本发明进一步的改进在于，步骤5)中，根据步骤2)中初始设计参数，计算其孔径节圆比若γ＜γ
cr
，通过改变椭圆孔的长短轴比降低轮盘应力；若γ＞γ
cr
，结合轮盘尺寸、传扭和换热要求，迭代改变拉杆孔直径和节圆直径，以满足其孔径节圆比小于临界值的要求γ＜γ
cr
，进而采用椭圆孔设计实现应力优化。
19.本发明进一步的改进在于，步骤1)-步骤5)中的分析均采用平面应力模型，实际三维轮盘结构复杂，步骤6)中采用实际轮盘3d模型进行应力分析，针对某实际燃气轮机轮盘，采用椭圆形拉杆孔后的应力下降10％。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
21.本发明提供的一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法，该方法基于平面应力分析，定量得到不同拉杆孔参数对应力的影响规律。该方法的优势在于：首先，相比传统二维轴对称模型，考虑非对称结构，能够实现不同拉杆孔参数的应力预测；其次，该方法相对三维实体模型，计算效率高且结果准确；最后，该方法提出的椭圆形拉杆孔结构能够有效减小应力集中，在满足传扭特性的前提下，本发明专利提供了一种拉杆孔应力优化设计方法。
22.相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：
23.(a)本发明基于二维平面应力模型，可以快速、高效地得到优化后的拉杆孔结构参数和位置参数。
24.(b)本发明提出的一种椭圆形拉杆孔结构，能够有效减小拉杆孔应力集中，提高燃气轮机转子安全工作裕度。
25.(c)本发明提出了临界孔径弧长比，用于表征椭圆形拉杆孔应力变化趋势。
26.(d)采用本发明的椭圆形拉杆孔结构，转子整体应力和寿命将得到改善，针对某实际燃气轮机结构，采用椭圆形拉杆孔的应力可下降10％。
27.(e)本发明方案合理，结构简单，容易实现，能实现轮盘材料的充分利用。
附图说明
28.图1是实施重型燃气轮机轮盘拉杆孔设计方法流程图。
29.图2是燃气轮机轮盘二维模型。
30.图3是圆形拉杆孔最大切向应力随拉杆个数变化关系。
31.图4是椭圆形拉杆孔最大切向应力随长短轴比变化关系。
32.图5是二维有限元应力计算结果。
33.图6是实际燃气轮机转子轮盘三维有限元应力计算结果。
具体实施方式
34.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
35.请参阅图1所示，本发明提供的一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法，包括以下步骤：
36.1)根据机组载荷和传扭要求，确定拉杆直径和拉杆个数；
37.2)根据气动设计，确定轮盘最大线速度和轮盘直径d1，并考虑轮盘换热、抽气孔等布置，初步确定拉杆孔节圆直径d2；
38.3)图2展示了本发明提出的椭圆形拉杆孔示意图，根据拉杆直径和拉杆孔节圆直径，确定拉杆孔尺寸，并定义孔径弧长比为拉杆孔长轴c和节圆弧长与拉杆孔长轴之差a-c的比值，即孔径弧长比γ表征拉杆孔布置的分散程度，γ越小，表明拉杆孔分布越稀疏，根据圣维南原理，孔与孔之间的应力分布影响较小。相反地，γ越大，表明拉杆孔分布越密集，孔与孔之间的应力叠加效应明显；
39.4)根据参数化有限元分析，本发明专利提出了临界孔径弧长比γ
cr
，一般γ小于临界值γ
cr
，采用椭圆形结构对应力具有明显改善。因此，在初步确定拉杆孔节圆直径、拉杆孔直径(圆孔)和拉杆个数，计算孔径弧长比，若小于临界值γ
cr
，则采用椭圆形拉杆孔进行平面应力分析，得到优化结果；若大于临界值γ
cr
，则迭代计算拉杆孔、拉杆节圆参数等，使其满足小于临界孔径弧长比的要求，进一步进行椭圆形拉杆孔优化设计；
40.5)考虑轮盘离心力载荷，基于二维平面应力有限元模型，进行椭圆形拉杆孔应力集中分析和优化，建立椭圆形拉杆孔优化结构参数；
41.6)将二维有限元分析结果应用于实际燃气轮机轮盘结构，采用实际三维有限元模型验证优化结果；
42.7)图3展示了圆形拉杆孔最大切向应力随拉杆个数变化关系，图中无量纲节圆直径为拉杆孔位置的节圆直径d2和轮盘外径d1之比，无量纲切向应力为拉杆孔切向应力和轮盘中心孔(直径为d3)切向应力之比，可得结论如下：随着节圆直径d2的增加，拉杆孔最大切向应力呈现减小趋势；对于某一节圆直径d2，孔径弧长比值随拉杆孔个数而改变，且存在临界孔径弧长比γ
cr
，对应的切向应力最小；
43.8)图4展示了椭圆形拉杆孔最大切向应力随椭圆长轴和短轴之比的变化关系，对于图中的孔径弧长比范围，切向应力随长短轴比(c/b)的增加而减小；
44.9)图5展示了二维应力分析有限元模型，建立局部圆柱坐标系提取孔边应力结果，可以看出拉杆孔最大切向应力出现在拉杆孔内径四点钟位置；
45.10)图6展示了三维实际轮盘应力验证结果，针对图示轮盘结构，在轮盘离心力作用下采用椭圆形拉杆孔的最大应力可下降10％，验证了本发明提出的二维应力分析模型的正确性。
46.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。