预防涡轮裂纹萌生的方法技术

本发明专利技术公开了一种预防涡轮裂纹萌生的方法，包括：基于涡轮的分析模型模拟计算单扇区涡轮的应力分布；基于应力分布的结果，在确定涡轮结构的应力超过了最大许用应力的情况下，对涡轮的分析模型进行结构优化以降低局部应力；判断结构优化的合理性；响应于确定结构优化合理，基于结构优化确定的样条曲线对涡轮进行结构优化。其中，采用有限元方法计算单扇区涡轮的应力分布，包括：设定应力分布计算条件划分网格；建立有限元模型，并进行网格收敛性判断；在确定有限元模型计算结果通过网格收敛性检验情况下，执行应力分析。本发明专利技术采用有限元方法计算单扇区涡轮的应力分布，对涡轮的分析模型进行结构优化，可以预防涡轮在使用阶段萌生裂纹。萌生裂纹。萌生裂纹。

【技术实现步骤摘要】
预防涡轮裂纹萌生的方法


[0001]本专利技术涉及一种预防涡轮裂纹萌生的方法，属于微燃机的涡轮


技术介绍

[0002]微燃机以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功，是一种旋转叶轮式热力发动机。其主要包括压气机、燃烧室、涡轮三大部件；压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到涡轮中膨胀做功，推动涡轮带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并可通过连接发电机输出电能。
[0003]涡轮作为微燃机关键热端部件之一，其工作环境恶劣且结构复杂，是机械故障多发部件。涡轮一方面影响着微型燃机的效率和经济性，另一方面也决定燃机的安全性。为保证微型燃机的运行安全，涡轮应在离心力、气动力和热应力等的作用下有着较高的安全可靠性，其中断裂问题应得到重点关注。因此在进行涡轮设计时，需要进行静强度分析，保证结构满足强度要求。而过去的大部分研究局限于采用有限元方法建立涡轮孔边角裂纹模型、或者采用ANSYS对高负荷涡轮进行结构优化，而对于采用有限元方法对单扇区涡轮的建模分析方面的研究尚有不足。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术，本专利技术提供了一种用于涡轮设计阶段的预防涡轮裂纹萌生的方法，以弥补现有技术的空缺。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种预防涡轮裂纹萌生的方法，包括：
[0007]基于涡轮的分析模型模拟计算单扇区涡轮的应力分布；
[0008]基于所述应力分布的结果，在确定涡轮结构的应力超过了最大许用应力的情况下，对涡轮的分析模型进行结构优化以降低局部应力；
[0009]判断所述结构优化的合理性；
[0010]响应于确定所述结构优化合理，基于所述结构优化确定的样条曲线对所述涡轮进行结构优化。
[0011]进一步地，所述计算单扇区涡轮的应力分布，包括：采用有限元方法计算所述单扇区涡轮的应力分布。
[0012]更进一步地，所述采用有限元方法计算单扇区涡轮的应力分布，包括：
[0013]S1、设定应力分布计算条件；
[0014]S2、划分网格；
[0015]S3、建立有限元模型，并进行网格收敛性判断；
[0016]S4、在确定所述有限元模型计算结果通过网格收敛性检验情况下，执行应力分析。
[0017]进一步地，所述设定应力分布计算条件，包括：以离心力为主要载荷，边界条件设置为孔边周向约束与轴向约束，同时设置循环对称条件。
[0018]进一步地，所述划分网格，包括：叶片与轮盘单独划分网格，均采用六面体单元，并在接触面绑定以限制相对位移。
[0019]进一步地，所述建立有限元模型，并进行网格收敛性判断，包括：建立五个具有不同单元尺寸的有限元模型，并选取最大Mises、径向、周向、轴向和最大主应力进行网格收敛性判断。
[0020]进一步地，所述对涡轮进行结构优化，包括：降低涡轮重量。
[0021]更进一步地，所述降低涡轮重量，包括：基于所述结构优化确定的样条曲线，对涡轮结构进行挖槽、挖孔，其中，槽与孔的几何外形根据所述样条曲线确定。
[0022]进一步地，所述判断结构优化的合理性，包括：对优化后的涡轮的分析模型执行应力分布计算,若优化后的涡轮结构的最大应力点已经屈服，且应力仍小于许用应力，则确定结构优化合理或初步确定结构优化合理。
[0023]更进一步地，所述判断结构优化的合理性，包括：在初步确定结构优化合理后，判断优化后的涡轮分析模型的气动效率合理性，在确定气动效率合理的情况下，确定结构优化合理。本专利技术的预防涡轮裂纹萌生的方法，采用有限元方法计算单扇区涡轮的应力分布，对涡轮的分析模型进行结构优化(基于结构优化确定的样条曲线，对涡轮结构进行挖槽、挖孔，其中，槽与孔的几何外形根据样条曲线确定)。利用本专利技术的预防涡轮裂纹萌生的方法，涡轮的分析模型在结构优化前的最大Mises应力达到了947MPa，超过了材料的静强度许用应力821MPa；优化后涡轮的最大Mises应力为805MPa，说明该优化策略有效。因此，利用本专利技术的方法在涡轮的设计研发阶段对涡轮进行结构优化，可以在一定程度上预防涡轮在使用阶段萌生裂纹。
[0024]本专利技术使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本专利技术所表述的含义为准。
附图说明：
[0025]图1a、b、c：优化前涡轮几何模型示意图。
[0026]图2：预防涡轮裂纹萌生的方法流程图。
[0027]图3：不同模型的应力计算结果与相对误差数据示意图。
[0028]图4：优化前涡轮Mises应力分布示意图。
[0029]图5a、b：优化后涡轮几何模型示意图。
[0030]图6：优化后涡轮Mises应力分布示意图。
具体实施方式
[0031]下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明。然而，本专利技术的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本专利技术的精神和范围的前提下，可以对本专利技术进行各种变化和修饰。
[0032]本专利技术对试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性和/或具体的描述。虽然为实现本专利技术目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本专利技术仍然在此
作尽可能详细描述。
[0033]下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
[0034]实施例1预防涡轮裂纹萌生的方法
[0035]本实施例预防涡轮裂纹萌生的方法，处理的涡轮的材料示例性地选取为K424高温合金。K424合金是我国自主研制的一种新型铸造镍基高温合金，其高温强度高、塑性和工艺性较好，具有较高的综合性能，适用于制造950℃以下工作的涡轮转子叶片和导向叶片等部件。
[0036]如图1a、b、c所示，涡轮几何模型共有12片叶片，轮盘半径为37mm，与轴配合的中心孔半径为4.5mm。
[0037]K424铸造高温合金的具体材料参数见表1。
[0038]表1 K424合金的材料参数(600℃)
[0039][0040]预防涡轮裂纹萌生的方法，步骤如下，如图2所示：
[0041](1)基于涡轮的分析模型模拟计算单扇区涡轮的应力分布：采用有限元方法计算单扇区涡轮的应力分布，包括以下S1～S4：
[0042]S1：设定应力分布计算条件；
[0043]具体地，涡轮设计转速为140000rpm(转/分钟)，涡轮在工作过程中受到离心力、热应力和气动力等载荷；考虑到微型燃气轮机的轮毂直径较小且转速较高，所以忽略温差引起的热应力和气动力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预防涡轮裂纹萌生的方法，其特征在于，包括：基于涡轮的分析模型模拟计算单扇区涡轮的应力分布；基于所述应力分布的结果，在确定涡轮结构的应力超过了最大许用应力的情况下，对涡轮的分析模型进行结构优化以降低局部应力；判断所述结构优化的合理性；响应于确定所述结构优化合理，基于所述结构优化确定的样条曲线对所述涡轮进行结构优化。2.根据权利要求1所述的预防涡轮裂纹萌生的方法，其特征在于，所述计算单扇区涡轮的应力分布，包括：采用有限元方法计算所述单扇区涡轮的应力分布。3.根据权利要求2所述的预防涡轮裂纹萌生的方法，其特征在于，所述采用有限元方法计算单扇区涡轮的应力分布，包括：S1、设定应力分布计算条件；S2、划分网格；S3、建立有限元模型，并进行网格收敛性判断；S4、在确定所述有限元模型计算结果通过网格收敛性检验情况下，执行应力分析。4.根据权利要求3所述的预防涡轮裂纹萌生的方法，其特征在于，所述设定应力分布计算条件，包括：以离心力为主要载荷，边界条件设置为孔边周向约束与轴向约束，同时设置循环对称条件。5.根据权利要求3所述的预防涡轮裂纹萌生的方法，其特征在于，所述划分网格，包括：叶片与轮盘单独划分网格，均...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳普，
申请(专利权)人：永旭腾风新能源动力科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：