新型燃气轮机寿命设计原则

卫江山

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

1 引言

在研制新型燃气轮机时最重要的目标之一是保证寿命100000h。显然，为解决这个问题，必须在燃气轮机装置的开发、试验和工业试运行等各阶段逐步实施计算/试验措施。

2 新型燃机机组结构系统的选择

众所周之，大功率发电燃气轮机的调试是一项代价非常昂贵的工序。原因是其大尺寸动静零件的安装和更换工作很复杂。因此，按照国际惯例，在研制具有较高参数的电站燃气轮机时，对其尺寸的动静零件（叶轮、缸体和轴承）保留了传统的承力系统和结构方案。

主要是通过完善通流部分、提高压比和透平进口燃气温度来提高机组的效率。在开发新型燃机机组时，就是采用了上述方法。在设计转子、缸体和轴承的承力系统方面，采取最适宜的一些结构方案，可大大减少首台样机调试的工作量，并避免将燃气轮机的大尺寸零件运回制造厂家进行全面改进。

在新型大功率燃气轮机结构方面采取正确的方案固然重要，但在现代条件下，还需要使用商用程序包对燃气轮机所有主要零件进行三维模拟，才能实现具有工作能力的结构系统。

3 燃气轮机部套强度的三维数学模拟

（1）压气机。在设计燃气轮机阶段应该考虑下列决定压气机可靠性的三个主要因素：叶片、叶根、叶轮、隔板套以及缸体的静态强度和疲劳强度；动叶和导叶的振动调谐；如何消除在燃气轮机启停时动静部件的碰磨现象。

为此，在设计过程中建立了压气机主要部套的三维有限元模型，包括压气机的所有动叶和导叶；叶轮（包括叶根连接部位）、隔板套和缸体。

对动叶与叶轮一起进行模拟，其中考虑了叶根连接部位和减振围带部位（用于1 和2 级动叶）接触的相互作用。只有通过三维模拟方法才能得到精确的叶根连接部位的应力分布情况。三维模拟表明，最大应力在轮槽处（其值达到900MPa）。因此，在设计时必须增大前5 级轮槽底部圆角半径，使这些部位产生的应力由900MPa 降至550MPa。

（2）透平。在计算透平强度时，必须考虑与压气机同样的那些因素。但是由于透平温度较高，还要求考虑蠕变影响和持久强度计算。必须对透平的下列部件进行三维模拟：所有各级的喷嘴和动叶；叶轮和转子端轴；透平隔板套和气缸。

通过建立有限元模型，使上述各部套与其模型达到了最佳的一致性。例如，动叶与叶轮一起进行模拟时，考虑了叶根连接部位接触的相互作用，这样就可以更全面地反映冷却叶片内部结构饱和状态。此时获得的数学模型包含了15 万～25 万个节点，要求使用高级个人计算机（不低于奔腾-4 型，2000～2600MHz，内存不低于1G）。

为计算透平三维叶片的强度，必须准确地设置温度边界条件。为确定叶片的热态，引用了在航空发动机中计算叶片平截面放热系数的方法。然后将所获得的边界条件以内插法用于3D 网络。近年来CFD 技术（液体和气体动态计算）迅速发展，包括冷却剂外吹和气膜冷却的形成效应，因此，冷却叶片热交换的边界条件由专家利用商用程序包来予以确定。

计算结果证明：叶片内的最大应力、塑性变形和蠕变出现在叶片工作部分向中间体的过渡圆角处。这是确定叶片寿命的关键因素，而且这里同时还存在蠕变效应和低周疲劳效应。

大尺寸零件（叶轮、缸体）应具有抗静态裂纹和抗疲劳裂纹的性能，对压气机制叶轮进行了抗裂性计算：确定了缺陷的临界尺寸以及裂纹扩展到这种临界尺寸时的循环次数。

4 燃烧室

燃烧室元件与透平元件一样，承受蠕变、低周疲劳、裂纹增长等效应。但是由于其结构和其中发生的物理过程较复杂，到现在也不可能正确给出强度计算所需的边界条件。因此，燃烧室可靠性的研究就在单独的试验台上进行，但是将来其强度分析可在设计阶段完成。首先就对火焰筒和过渡段进行持久强度和低周疲劳计算。其温度限制条件能在考虑到燃烧过程、喷射冷却和辐射效应的情况下解决共轭热交换课题的基础上予以确定。对于燃机机组中较简单的燃烧室，该课题是通过利用燃烧室温度设计值及其与试验值的对比示例。

5 结论

该燃机机组的设计工作已经完成。对燃气轮机的所有基本部件都建立了具体的三维数学模型，并进行了相应的强度和振动计算。由于采取的结构措施均借鉴了开发大功率电站燃气轮机方面的经验，以及研制航空发动机的高效通流部分方面的经验，从而使其设计得以在较短的周期内以较高的水平完成。

在设计中建立的燃气轮机各部套的数学模型均已通过在试验台的试验成功得到验证。这些模型将按照最大程度上接近于实际机组的条件予以修正，从而能确保该新型燃机机组的运行可靠性和预测寿命。