轮盘蠕变引起的组合转子性能退化特性研究

张海彪， 王艾伦

(1.中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙 410083；2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083)



轮盘蠕变引起的组合转子性能退化特性研究

张海彪1，2， 王艾伦1，2

(1.中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙 410083；2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083)

燃气轮机组合转子因长期承受较大的离心应力及较高的温度，其性能易发生退化.轮盘蠕变是引起组合转子性能退化的重要因素之一，为研究轮盘蠕变引起的组合转子性能退化特性，首先建立了考虑轮盘结合面刚度的组合转子轮盘蠕变计算模型，研究组合转子蠕变效应，得到组合转子不同轮盘蠕变随时间变化的定量数据；然后，提出了轮盘蠕变引起组合转子性能退化的研究方法，通过定义组合转子性能退化指标，得到轮盘蠕变引起组合转子性能退化的轨迹，实现其性能退化的定量评估；最后，研究不同转速、拉杆数目下轮盘蠕变引起组合转子性能退化速率的变化规律.结果表明：在高温、高转速作用下，组合转子轮盘将会发生蠕变，透平端第1级蠕变速率最快；轮盘蠕变会引起组合转子性能退化，转速越大、拉杆数目越多，组合转子退化速率越快.因此，在对组合转子进行结构及系列化设计时必须考虑轮盘蠕变的影响，特别在改变转速、拉杆数目时，其影响不容忽视.

组合转子； 轮盘蠕变； 性能退化； 燃气轮机

燃气轮机长期在高温恶劣的环境下工作，导致其故障率较高.据德国Siemens公司统计，燃气轮机机组发生的故障，58%是组合转子造成的[1]，因此研究组合转子性能退化规律具有重要的意义，且该研究领域也将成为未来航空发动机和燃气轮机“两机”科技重大专项中的核心部分.由于蠕变、裂纹、磨损、松弛等诸多因素，会导致组合转子性能退化[2]，但目前有关组合转子退化的研究较少，仅有少量研究人员以轮盘与拉杆裂纹[3]、螺纹自松弛[4]、拉杆松弛[5]等局部微缺陷为切入点，对组合转子的退化机理进行了初步研究.

燃气轮机组合转子由于在高温环境下运行，且存在较大的离心应力，其轮盘会发生蠕变，使得组合转子性能退化，甚至破坏机组的正常运行，引发事故.例如：在1974年6月19日，在美国的Tennessee州，一台燃气轮机机组由于组合转子轮盘蠕变，组合转子叶片及轮盘的径向位移超出了叶片与机壳的间隙而发生顶心，引发事故[6].目前针对轮盘蠕变引起的组合转子性能退化研究较少.邬文睿等[7]、Hongyin等[8]针对汽轮机转子涡轮轮盘的高温强度进行了研究，针对组合转子产生轮盘蠕变效应的区域、考虑轮盘蠕变的必要性及蠕变对于轮盘内部应力分布进行了研究；李全通等[9]建立了轮盘蠕变应变的理论概率模型；Lagneborg等[10]、曾攀[11]针对轮盘蠕变及低周疲劳寿命可靠性进行了分析，并提出了考虑应力松弛的轮盘蠕变效应及两者共同作用下轮盘寿命的计算方法；孙燕平等[12]、崔亚辉等[13]考虑到转子的蠕变效应，研究了转轴偏心力、叶片离心力、初始弯曲等因素导致的蠕变弯曲，得到了转子发生蠕变的主要区域及蠕变弯曲量随时间的变化规律，从理论上证明了转子的弯曲原因为高温蠕变.

综上所述，目前并不清楚轮盘蠕变引起组合转子性能退化的机理.为此，本文拟针对某重型燃气轮机组合转子，通过建立考虑轮盘间结合面刚度的有限元模型，研究组合转子在额定工况下的轮盘蠕变效应及其对组合转子性能退化的影响规律.

1　组合转子有限元模型

燃气轮机根据装机量以及型号的不同，其核心部件组合转子具有不同的拉杆数目及轮盘级数.本文以某型燃气轮机组合转子为对象展开研究.图1所示为该组合转子有限元模型，组合转子由压气机、燃烧室、透平三部分组成，其中压气机端有17级轮盘，透平端有4级轮盘，中间为燃烧室，压气机端及透平端轮盘均由周向分布的12根拉杆通过预紧力紧密连接在一起，尺寸参数如表1所示.根据工程实际，选取组合转子材质为GH4169，该材料密度为7 850 kg·m-3，弹性模量为210 GPa.

图1　组合转子有限元模型Fig.1　Finite element model of combined rotor

Table 1Dimension parameters of finite element model of combined rotor

尺寸参数量值/mm转子总长lrotor11582压气机端4至7级轮盘厚度ldisk4-7311压气机端8至11级轮盘厚度ldisk8-11301压气机端12至14级轮盘厚度ldisk12-14190压气机端15至17级轮盘厚度ldisk15-17150燃烧室长度1905透平端1,2级轮盘厚度304透平端3,4级轮盘厚度295轮盘直径ddisk1424拉杆直径drod80拉杆长度lrod3740

接触界面是组合转子中最特别的部位，组合转子结构完整性与接触界面密切相关，深入研究组合转子接触界面的特性，对于精确地分析组合转子的动态特性具有积极的意义[14].因拉杆穿越孔与拉杆螺栓及轮盘与轴端拉杆螺母之间的接触界面刚度对组合转子弯曲振动的影响较小，因此本文主要考虑两轮盘间结合面刚度这一重要因素.

通过综合运用GW模型研究方法及有限元法来计算两轮盘间的接触刚度[15].首先建立能体现轮盘表面粗糙度的微元体模型，并对微元体的接触刚度进行分析计算，然后通过公式(1)、(2)得到轮盘结合面的法向刚度.

(1)

F=P×S1,

(2)

式中：S1为轮盘结合面面积，S2为微元体模型结合面面积，kn为微元体模型法向刚度，K为轮盘界面法向刚度，P为预紧后的界面压力，F为预紧力.

组合转子轮盘间结合面接触属于非线性问题，因此对于结合面的处理无法直接利用有限元法进行解决[16].本文采用将结合面等效为虚拟材料层的方法(如图2所示).基于上述对轮盘结合面法向接触刚度的计算结果，利用应变能相等原则，真实轮盘结合面总的法向应变能应与等效为虚拟材料层后的总法向应变能相等，可得到虚拟材料层弹性模量与结合面的法向刚度关系式：

(3)

式中：h为虚拟材料层的厚度，S1为结合面面积.

图2　虚拟材料层等效示意图Fig.2　The equivalent diagram of virtual material layer

本文主要研究组合转子的弯曲振动特性，将虚拟材料层厚度设置为2 mm，模型中轮盘与虚拟材料层间的接触采用多点约束技术，其他接触界面均采用No Separation接触.所建立模型的计算结果与该重型燃气轮机的实测结果[17]如表2所示，结果表明所建立模型与实际模型偏差小，模型可靠.

表2模型频率计算结果与实测结果对比

Table 2The comparison of model frequency calculation results with measured results

Hz

2　蠕变变形计算

组合转子长期在高温环境下运行，组合转子轮盘由于承受离心力作用将发生蠕变.本节将对组合转子轮盘蠕变变形量进行计算.

2.1蠕变模型及参数

蠕变一般分为3个阶段：初始阶段、稳定阶段、加速阶段[6].因为燃气轮机组合转子蠕变时间长，大部分时间处于蠕变稳定阶段，因此本文采用Norton蠕变模型(蠕变的第2阶段)，本构方程如式(4)所示：

(4)

根据文献[18]中针对GH4169材料的蠕变试验，采用最小二乘法计算式(4)中的蠕变参数，得到Norton蠕变模型的参数，如表3所示.

表3　蠕变方程参数

2.2组合转子轮盘蠕变分析

[19]，本文不考虑单级轮盘之间的轴向温差，对其进行热分析，得到组合转子运行过程中的温度分布如图3所示，图4给出了蠕变数据采集点位置.

图3　组合转子运行温度分布Fig.3　Operation temperature distribution of combined rotor

图4　蠕变量数据采集点示意图Fig.4　Sketch map of acquisition point of creep data

以组合转子运行转速为3 000 r/min为例进行计算，利用ANSYS对组合转子进行蠕变分析，运行时应力分布如图5所示，图6为各采集点蠕变伸长量曲线.

图5　组合转子应力分布图Fig.5　Stress distribution diagram of combined rotor

图6　各采集点蠕变伸长量曲线Fig.6　Creep elongation curves of each acquisition point

由图6可以看出：1)组合转子蠕变速率随着时间的增加而减小；2)透平端第1级蠕变速率最快，在80 000 h时蠕变量达到了0.5 mm，这可以为燃气轮机组合转子结构设计中顶隙大小的确定提供参考.

2.3转速对组合转子轮盘蠕变速率的影响

组合转子在不同的转速下运行，会产生不同的离心应力作用，这对于组合转子轮盘蠕变速率将产生重要影响，因此本节将重点研究转速对组合转子轮盘蠕变速率的影响.

因透平端第1级蠕变速率最快，该位置(即位置D)的蠕变伸长量最大，将对组合转子的运行产生较大影响，能够反映整个组合转子的轮盘蠕变伸长量变化速率，所以取该位置不同转速下的蠕变伸长量曲线进行分析.

图7　转速对轮盘蠕变速率的影响Fig.7　Effect of rotating speed on creep rate of turbine discs

由图7可知：不同转速下，轮盘蠕变伸长量均随时间的增加缓慢增加，且蠕变速率逐渐减小；转速对于组合转子轮盘蠕变速率影响较大，转速变化300 r/min，轮盘蠕变速率成倍变化.在工程实际中，若增加转速，需重点考虑其对轮盘蠕变速率的影响.

3　轮盘蠕变引起的组合转子性能退化轨迹和退化速率

3.1研究方法

图8　轮盘蠕变引起组合转子性能退化的研究方法Fig.8　Research method on the performance degradation of combined rotor caused by turbine discs creep

3.2轮盘蠕变引起的组合转子性能退化轨迹

根据图8的研究方法，在转速为3 000 r/min和额定温度环境下，取拉杆初始预紧力为拉杆长度的1/1 000，且假定拉杆预紧力与伸长量呈线性相关，研究轮盘蠕变引起的拉杆预紧力变化规律，对组合转子进行动力学分析，如表4所示为轮盘蠕变引起的组合转子前3阶弯曲频率随时间的变化关系.发现随着时间的增加，轮盘蠕变量增加，导致组合转子的前3阶弯振频率均发生漂移.

表4弯振频率随时间的变化关系

Table 4The relationship between the flexural vibration frequency and time

时间t/h1阶弯振频率/Hz2阶弯振频率/Hz3阶弯振频率/Hz019.12844.10358.5351000019.10744.04958.4682000019.09144.00658.4113000019.07843.98258.3824000019.06843.95858.3595000019.0643.93958.3346000019.05343.92358.3127000019.04743.91158.2938000019.04143.89958.272

组合转子的性能退化对燃气轮机的影响主要是振动造成的.组合转子的振动特性可由弯振频率表征，且弯振频率在工程上易于测量，因此，定义弯振固有频率作为性能退化参数，退化量定义式为

(9)

式中：f0为初始时刻弯振频率，ft为t时刻弯振频率.

依照表4中组合转子前3阶弯振频率随时间的变化关系，得到性能退化数据，对数据进行拟合，得到退化轨迹(图9).

图9　组合转子性能退化轨迹Fig.9　Performance degradation trajectory of combined rotor

由图9可知，轮盘蠕变引起的组合转子性能退化量随时间缓慢增加，组合转子性能退化速率随时间增加而降低.

3.3不同转速下轮盘蠕变引起组合转子性能退化速率的变化

组合转子轮盘在不同转速下具有不同的应力分布及蠕变速率，保持组合转子的温度、拉杆数目、轮盘级数不变，考虑到工程实际，分别对2 400，2 700，3 000，3 300，3 600 r/min转速下的组合转子进行蠕变及动力学分析，得到不同转速下组合转子退化数据，拟合出退化轨迹(见图10).

糖尿病是临床常见的内分泌疾病，也是引起心血管疾病的独立危险因素之一。长期高血糖状态下可导致靶器官损伤，引起糖尿病慢性并发症，进而影响患者的生存质量和生命安全。心脏是糖尿病常见的受累器官之一，心脏病变是糖尿病患者的主要死亡原因之一［1］。冠心病、心脏自主神经病变、糖尿病心肌病是糖尿病患者心脏并发症的三种表现形式，前两者临床比较常见，但糖尿病心肌病却未引起足够重视［2］。

图10　不同转速下组合转子性能退化轨迹Fig.10　Performance degradation trajectory of combined rotor under different rotating speed

由图10可知：不同转速下，轮盘蠕变速率及退化速率均逐渐减小；转速对于组合转子轮盘蠕变速率影响较大，转速变化300 r/min时，轮盘蠕变速率及退化速率成倍变化.在工程实际中，若增加转速，需重点考虑其对轮盘蠕变速率及使用寿命的影响.

3.4不同拉杆数目下轮盘蠕变引起组合转子性能退化速率的变化

保持温度、转速、轮盘级数及拉杆初始总预紧力不变，分别对12，16，24根拉杆预紧的组合转子进行蠕变及动力学分析，分别得出不同拉杆数目下组合转子退化数据，拟合出退化轨迹(图11).

图11　不同拉杆数目下组合转子性能退化轨迹Fig.11　Performance degradation trajectory of combined rotor under different number of rod

由图11可以看出：不同拉杆数目下，组合转子退化速率均逐渐减小；随着拉杆数目的增加，组合转子退化速率均加快.

4　组合转子性能退化模型验证实验

组合转子轮盘蠕变时间较长，且其引起的退化过程十分缓慢，难以进行基于组合转子蠕变特性的实验研究.因此采用间接法进行实验研究.研究组合转子在不同预紧力条件下(轮盘蠕变引起)的固有频率变化规律，将实验结果与仿真结果对比，从而论证理论分析结果的正确性.

由于研究对象为真实组合转子模型，尺寸大、结构复杂，不易进行实验研究，因此，在组合转子简化模型上进行研究.该模型实物图及示意图如图12所示，各尺寸参数如表5．

图12　组合转子实验模型Fig.12　Experimental model of combined rotor

Table 5Dimension parameters of experimental model of combined rotor

尺寸参数量值/mm转子总长lrotor1972轮盘宽度ldisk91轮盘部分直径Ddisk317转轴部分直径dshaft50拉杆周向直径Drod269拉杆直径drod80

首先对实验模型进行轮盘蠕变分析，得到不同时刻压气机端与透平端预紧力的大小，然后分别利用实验方法与有限元理论分析方法对组合转子固有特性进行测试与计算.实验研究时采用锤击法在组合转子上施加脉冲激励，引起组合转子自由振动，然后利用位移传感器采集组合转子的响应，分析得到组合转子的固有频率[20].表6所示为组合转子在不同时刻弯振频率的实验与仿真结果对比.

表6不同时刻弯振频率实验与仿真结果对比

Table 6Comparison of experiment and simulation results of bending vibration frequency at different moment

时间/h透平端预紧力/N压气机端预紧力/N仿真值/Hz实验值/Hz0420004220048.9148.0810000418504200048.8348.0020000411504185048.7647.9330000406004170048.7147.8840000401004155048.6747.8450000396504145048.6447.8260000392504135048.6147.7970000388504125048.5947.7680000384504115048.5747.74

按照前面对于组合转子性能退化量的定义式，取1阶弯振频率为退化参数，实验与仿真的退化轨迹如图13.

图13　实验与仿真的退化轨迹对比Fig.13　Comparison of experimental and simulation degradation traigectories

根据图13可知，实验方法得到的模型性能退化轨迹与仿真分析结果相差很小，这在一定程度上验证了轮盘蠕变引起组合转子性能退化研究理论与方法的正确性.

5　结　论

本文提出了轮盘蠕变引起组合转子性能退化特性的研究思路及方法，研究了不同转速、拉杆数目下轮盘蠕变引起组合转子性能退化速率的变化规律，并对理论分析结果进行了一定的实验验证.研究结果表明：在高温、高转速共同作用下燃气轮机组合转子轮盘势必会发生蠕变，组合转子蠕变速率随着时间的增加而减小，透平端第1级蠕变速率最快；随着时间的增加，轮盘蠕变将引起组合转子性能退化，且轮盘蠕变引起的组合转子性能退化对于转速、拉杆数目的敏感性不容忽视，转速越大、拉杆数目越多，组合转子退化速率越快，在工程上需予以重点关注.

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Research on performance degradation characteristic of combined rotor considering turbine discs creep

ZHANG Hai-biao1，2， WANG Ai-lun1，2

(1.State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing， Central South University， Changsha 410083， China 2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Central South University， Changsha 410083， China)

The combined rotor of gas turbine bears large centrifugal stress and high temperature in a long term， and its performance degrads easily. Turbine discs creep is one of the important factors that cause the performance degradation of the combined rotor. To research the performance degradation characteristics of combined rotor caused by turbine discs creep， firstly， the turbine discs creep calculation model of combined rotor considering contact interface stiffness was established， the creep effect and the relationship between creep quantitative data and time were researched. Then a research method for the performance degradation of the combined rotor caused by turbine discs creep was presented. By describing degradation path caused by turbine discs creep through defining degradation degree parameters， performance degradation quantitative evaluation of combined rotor was realized. Finally， the variation law of the performance degradation rate of the combined rotor was studied under the different speeds and numbers of rod. The calculation results showed that the creep rate of combined rotor decreased with the increasing of time， and the first wheel of the turbine got the fastest creep rate; the turbine discs creep caused performance degradation of combined rotor， the greater the rotating speed， the more number of the rod， the faster the degradation rate of the combined rotor. Therefore， it is necessary to consider the influence of turbine discs creep on the structural design of composite rotor， especially when the speed and the number of the rod are changed， the influence can not be ignored.

combined rotor; turbine discs creep; performance degradation; gas turbine

2016-01-22.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB035706).

张海彪(1991—)，男，湖南岳阳人，硕士生，从事复杂机电系统动力学研究，E-mail: zhbcsu@163.com.

王艾伦(1959—)，男，湖南长沙人，教授，博士生导师，从事机械动力学和高等机构学研究，E-mail:walwlz@csu.edu.cn.http://orcid.org//0000-0003-2337-9861

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.05.003

TH 113.1

A

1006-754X(2016)05-0417-07

本刊网址·在线期刊：http://www.zjujournals.com/gcsjxb

http://orcid.org//0000-0001-6328-2306