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1.引言
某型燃气轮机是我国自行研制的首台拥有自主知识产权的中档功率轻型燃气轮机，由昆仑发动机改型而来，主要用于发电。该燃气轮机I级、II级动力涡轮盘原结构采用K438材料加工而成，目前该种材料在市场不易采购且价格较高，不利于改型燃气轮机的推广。为此，本研究是基于有限元法，针对I级、II级动力涡轮盘组件进行盘改材料静强度分析计算。通过给定条件，首次以I级、II级动力涡组件的形式计算其温度场，得到新材料下涡轮盘的强度，为涡轮盘变更设计提供理论参考。
2.燃气轮机结构
燃气轮机有2级动力涡轮盘，I级、II级涡轮叶片数均为97 , I级、II级导向器叶片数均为85，涡轮盘外缘均布97个桦槽。第I级涡轮盘前侧有蓖齿封严突缘及平衡配重组件安装槽突缘。两级动力涡轮盘之间有一个级间蓖齿封严圈，封严圈与两级涡轮盘之间以套接方式相连。16个联接螺栓将两级涡轮盘及主轴组件通过套齿相连。
燃气轮机工作过程中，动力涡轮盘承受的载荷主要有：叶片、桦头及轮盘本身的质量离心力，轮缘部位与轮盘中心部位的温度梯度，气动载荷(由叶片传来的气体力和轮盘前、后端面上的气体压力)，叶片及轮盘运行中振动时产生的动载荷，盘与轴连接处的装配应力等。其中气动载荷、振动载荷对轮盘的静强度影响较小，载荷数据的影响也比较有限，所以本研究进行强度计算时主要考虑离心载荷、温度载荷及装配条件的影响。
所选GH4169高温合金为饼材，其材料参数为：密度8.24 kg/cm3，弹性模量193 GPa，泊松比0.3，屈服强度1310 MPa，线膨胀系数13.5x10-6。
3.计算模型建立
考虑到涡轮盘上均布的螺栓孔数和套齿数的最大公约数为16，利用旋转周期性条件，将涡轮工作叶片数简化为96，级间蓖齿封严圈上的40个中4.8孔按等效流通能力条件简化为均布的32个中5.0孔。旋转坐标系区和被包围在其内部的固体区取圆周1/16的扇形区域为计算域，并包含6个完整的工作叶片和叶栅通道。
4.温度场计算
建立合理的动力涡轮盘温度场计算模型，是获得可靠强度分析结论的重要技术保证。为得到满足涡轮盘强度计算要求精度的温度分布，本研究建立了包括涡轮燃气流道、冷却空气腔、涡轮工作叶片和涡轮盘的流-固-热耦合模型。
动力涡轮中，基本传热过程是燃气通过动力涡轮叶片将热量传给涡轮盘，涡轮盘再将热量传给冷却空气。因此，动力涡轮盘温度场计算模型的计算域，应包括涡轮盘、涡轮工作叶片、燃气流道和冷却空气腔，见图。
作为流-固-热耦合计算模型，计算网格应具有良好的正交性和单元质量等要求。流体区网格应满足基于求解RAMS的湍流模型对单元尺寸的要求，特别是对近壁区湍流速度、温度分布精确计算的要求，应满足近壁区处理方法对壁面了的要求，固体区网格则主要应与温度和热流通量分布相适应。
速度着色的流线表示，涡轮盘、叶片、机匣等固体部分显示了表面和子午面的温度，燃气通道入口和出口显示为燃气温度。
涡轮盘强度采用有限元法(FEM)计算，需将流-固-热耦合CFD模型计算所得涡轮盘和封严圈温度场数据向FEM结构分析模型映射。导入并映射温度场后的涡轮盘和封严圈有限元模型如图所示。
动力涡轮出口温度计算值与实测值的对比如表所示，可见二者偏差较小，表明计算模型和计算结果可信。
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