[发明专利]预防涡轮裂纹萌生的方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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。

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。

发明内容

针对上述现有技术，本发明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。

本发明是通过以下技术方案实现的：

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

进一步地，所述对涡轮进行结构优化，包括：降低涡轮重量。