题目：现在船用燃气轮机轮盘设计技术及常见故障 姓名 ： 王跃飞 现在船用燃气轮机轮盘设计技术及常见故障 燃气轮机轮盘是在高温环境下工作的高速旋转部件，燃气轮机涡轮盘工作条件恶劣．其不仅要承受高转速带来的较大的外载荷，而且还要承受沿径向和轴向
的较大温差引起的热应力，以及发动机工作转速和温度变化引起的疲劳应力，因此在燃气轮机的设计中，了解高速旋转轮盘的应力和变形问题十分重要,涡轮盘的设计质量及其安全性直接影响发动机的性能和工作寿命。
涡轮盘设计要求高、难度大。因而一直是发动机设计中的一个重要课题。传统的发动机涡轮盘设计过程为基于初始模型的改进与改型。其中大部分设计属于经验设计范畴，设计周期长，成本高。
另外由于受设备条件的限制，大型高温合金锻件面临的主要困难有以下几个方面：
1、国内不具备挤压开坯设备，如何克服合金热加工塑性差、快锻机能力有限、单向压应力和两向拉应力的变形条件容易形成裂纹等困难，实现锭型的开坯。
2、如何在模锻设备能力不足的条件下，通过优化工艺条件，实现成形过程，获得优良的微观组织和力学性能。
在快锻机上采用单向拔长、反复镦拔、直接镦锻开坯等形式，达到破碎铸态组织的目的，实现了快锻开坯。采取坯料中心掏孔，增大模具圆角，复合包套技术强化保温，缩短转移时间来提高锻造温度，降低设备载荷，降低变形速度，使用玻璃润滑剂降低流变应力等措施， 在3万吨模锻水压机和100吨/米对击锤上成功模锻出直径1200mm的合金涡轮盘。
当今大多数现代发动机中,用于冷却涡轮叶片的冷气先对涡轮盘进行冷却,然后经涡轮盘外缘的榫槽再进入叶片内冷通道. 同时,还有一部分冷气从篦齿封严装置中泄漏到主燃气通道中,因此,这就形成了一股进流两股出流的流动结构。另外分别用高强度拉杆把压气机轮盘和透平轮盘联接成压气机转子和透平转子,两者再在靠背轮处用高强度螺栓联成燃气轮机转子,从而有良好的冷却效果。
为了选用较低廉的金属材料,并保证轮盘的机械强度,各级透平叶轮、叶轮间距块和后几级压气机叶轮轮盘都要进行超速和预应力试验盘腔内的压力特性是计算涡轮轴向力和防止燃气入侵的重要参数。对单出口盘腔内的压力分布国内外展开了一定的研究。主要是研究了转静系的速度和静压分布以及防止燃气入侵所需的最小冷却流量。通过研究盘腔内的静压特性，评价了多种不同的封严结构。但他们对多出口盘腔系统的压力特性尚未展开充分的研究。本文针对转静盘结构的流动特性进行了实验研究，其结果将为实际的发动机设计提供一定的依据。
由于对轻型燃气轮机的需求日益增加，在满足盘的强度要求情况下，寻求盘的质量最小化，使得人们不得不把轮盘的厚度设计得不均匀，以便进行载荷优化。但是，支配旋转轮盘形状的基本方程是非线性的，这就使得求解十分困难。但是，薄的旋转轮盘的基本微分方程可以简化为变系数二阶线性方程，并可作为一阶方程来处理，用正交法简化积分。在没有任何附加数学假设的情况下，上述这些简
化都可能实现，其计算结果在薄的轮盘理论范围内是足够精确的。
图1 轮盘结构图 图2 拉伸裂纹扩展
燃气轮机轮盘是关键部件之一，轮盘的工作条件恶劣，运行时受到很高的离心载荷以及气动力作用，确定其结构、载荷、材料特性等对寿命的影响是十分重要的，所以在涡轮盘的设计中还必须考虑防止轮盘的破裂。轮盘的破裂主要有两种形式：沿轮盘径向方向任意圆环截面的径向环裂和沿周向的破裂。为了防止轮盘周向发生破裂，要求轮盘的平均周向应力满足破裂转速设计要求。当裂纹前端建立起塑性区后，尖端的锐角会变钝，减轻了应力集中的程度，而由于周围材料的弹性收缩形成的压应力又使裂纹扩展受到限制。尤其是环形塑性变形区内的缺陷，由于应力的减小，裂纹更不容易扩展。在热态时对有裂纹试件加载，试件在低温材料变脆条件下的破坏应力会伴随热态时的加载程度而变化，载荷愈大破坏时所需的应力也愈大。
轮盘部件超速预应力技术处理是燃气轮机生产的关键工艺。通过预应力技术处理降低了轮盘的最大工作应力，增强了转子的工作可靠性，延长了机组寿命。采用预应力技术可以使轮盘做的更大，更薄，更轻，有益于提高机组出力、减少漏气损失、提高机组效率。可采用易加工、价格较便宜的中等强度合金钢代替难加工、价格昂贵的高强度合金钢，降低机组制造成本，增强市场竞争能力。随着燃气轮机单机容量的不断提高，轮盘部件超速预应力技术也将会得到更广泛的应用。
现代燃气轮机,无论压气机盘还是涡轮盘都尽可能做得薄,容易引起振动。在转子叶片振动和颤振分析中要考虑轮盘振动的影响,在设计或排故中经常要了 解盘的动力特性,因此轮盘的动力特性越来越受到重视。与叶片相比,轮盘是简单的对称结构,用以安装叶片和传递叶片和轴的扭矩。作为燃机的一个部件,一个典型盘的振动形式取决于轮盘的柔度。由于是圆形结构,轮盘的振动模态通常表现为带有节径和节圆的以下三种振动形式：
1、节圆振动(伞形振动) ; 2、节径振动;
3、节径和节圆的复合振动。
节圆振动频率较低,低频激振力可能激起共振,在实验室容易作出。复合振动由于频率高,维持这种振动所需能量大。这些模态可以相对固定到轮盘上或与转子运动方向相同或相反。旋转盘中通常观察到的是行波振动。后波角速度与转子角速度相同时,静止观察者看到的是一个不随时间变化的空间静止波- 驻波。此时轮盘的转速为驻波临界转速。在燃气轮机中,大小不变的偏心轴向力较之激起盘其它振动的交变力更容易出现,而且数值较大。驻波临界转速时, 盘的振动很大,容易引起轮盘损坏。因此设计盘时应避免轮盘驻波临界转速在工作范围内出现。
另外早期燃气轮机轮盘较厚,轮盘本身固有振动频率相对于叶片而言很高，因而可以忽略轮盘的弹性,而只考虑根部固支或其它边界条件下叶片的振动。但是随着轮盘型面的减薄,叶片与轮盘的耦合作用必须加以考虑,因此把叶片轮盘作为一个完整的耦合系统来研究其固有振动特性是十分必要的。
对高压涡轮盘结构进行静力学优化，在简化涡轮盘基本轮廓的基础上建立涡轮盘轴对称模型：并在考虑涡轮盘实际工作条件下温度场、叶片和榫块离心力的基础上．利用ANSYS进行有限元分析。最后通过BOSS平台调用ANSYS进行结构形状优化。优化重点是辐板和盘彀部分，设计变量是这一部分的尺寸变量。根据涡轮盘子午面形状，同时考虑到轮盘的可加工性，建模时将辐板部分分成三段，选取设计变量。涡轮盘在保证降低最大应力和满足破裂转速及低周循环疲劳寿命要求的同时，在原来的基础上重量又减轻了约2%。通过优化有效地降低了涡轮盘的应力水平，减轻了重量，优化后的轮盘低周疲劳寿命与破裂转速也满足设计和生产要求。