基于热流固耦合分析的重型燃气轮机透平高压叶片寿命研究

先进高效的重型燃气轮机透平高压叶片工作在高温、高压、高转速的严苛环境中,为了评估其安全可靠性,本文基于三维稳态粘性Navier-Stokes方程,考虑气动与热物理场的耦合,运用共轭计算技术和SST湍流模型建立了具有完整内外冷却结构的某燃气轮机高压透平叶片热流固耦合分析模型和寿命分析模型,获得了叶片温度分布及相应的应变应力场,并详细分析了叶片上热障涂层和金属基底的寿命状况。研究结果对理解和掌握先进的燃气轮机透平叶片设计技术具有重要参考意义。     

基于热流固直接耦合法的柴油机冷却水腔结构优化分析

针对495ZLQ柴油机原冷却水腔结构存在机体水腔周向流动不善,缸盖水腔后部及底部存在低流速区的问题,提出了三套改进优化方案。采用热流固直接耦合法分别建立机体-缸盖-缸套-缸垫-冷却水腔的整机流-固耦合传热模型,利用自适应网格划分技术进行网格划分,进行了不同柴油机工况下的数值模拟计算。研究结果表明:在不同工况下,方案3为最优方案;对于机体冷却水腔,采用双侧进水使得优化后的机体第一、第二缸排气侧冷却水流量比原机增大了约2.5倍,改善了机体水腔内冷却液的周向流动,降低了缸套内表面进排气侧的周向温差;对于缸盖,降低主喷孔高度及设计引流帽结构可以提高缸盖鼻梁区冷却液的流速,从而改善该处的热负荷状况。     

地下热流固耦合对EGS热开采的影响

人工热储的孔隙率及渗透率在增强型地热系统（EGS）地下热开采过程中受温度（T）、水力（H）、应力（M）的综合影响。本文建立了EGS热开采过程THM耦合的三维计算模型,并采用局部非热平衡假设处理液岩对流换热。对一理想的五口井EGS系统采热过程进行了THM模拟计算,分析了岩石温度、孔隙压力对岩石应力场的作用机理,进一步研究了应力场对EGS采热性能的影响。结果表明,开采过程中岩石应力场为热储内孔隙压力和温差综合作用的结果,由孔隙压力造成的岩石应力为压应力,仅集中于注入井附近,由岩石温度变化引起的热应力为拉应力,随着热开采区域的扩展而扩展。液−岩温差是触发工质与岩石热交换的动因,同时也是产生热应力的根本。     

汽轮机转子蠕变—疲劳耦合寿命精细分析与传统方法的比较

通过对汽轮机转子蠕变－疲劳耦合寿命分析的传统方法与精细方法的算例比较和结果分析，指出了精细分析方法的合理性，优越性以及应用前景。图５表１参６。     

利用持久强度的统计特性评定高温承压部件的可靠寿命

对大量１２Ｃｒ１ＭｏＶ和１０ＣｒＭｏ９１０钢持久强度数据进行了统计分析,确定了其分布类型和分布参数,提出了利用持久强度特性评定主蒸汽管道等高温承压部件可靠寿命的方法,并结合实例进行了计算。     

热流强度测试数据采集方法的改进

本文通过分析热电偶型温度记录仪工作原理,实验得到不同温差范围内的HOBO-U12型温度记录仪的温差电动势曲线及函数关系.并用于现场实测热流数据的采集,结果与实验室确定的函数关系符合较好,完全能够满足建筑热工检测的热流数据采集要求.解决目前建筑热工测试中热流强度数据长时间无人值守采集的问题.     

湿燃气透平叶片热流固耦合换热特性的数值研究

为评估湿空气透平循环中湿燃气对透平叶片燃气侧换热特性的影响,以及湿空气对透平叶片冷却效果的影响,以C3X叶片为例,采用热流固耦合的数值计算方法,研究了湿燃气含湿量对透平叶片表面温度和传热系数的影响,对比分析了干空气与湿空气冷却效果的差异.同时在研究范围内给出了透平叶片燃气侧传热系数的无量纲关系式,为湿化燃气轮机透平叶片的优化和冷却结构设计提供参考.结果 表明:湿燃气含湿量对透平叶片燃气侧的流动性能基本无影响;当湿燃气含湿量从0 g/kg增加到150 g/kg,主流进口温度为1473 K时,透平叶片表面平均传热系数增加10％,且增加幅度随着主流进口温度的升高而增大,叶片表面最高温度平均提高10 K;与干空气相比,湿空气作为冷却工质时的叶片表面温度更低,冷却效率更高,且冷却效率随着湿空气合湿量的增加而提高.     

汽轮机转子蠕变-疲劳耦合寿命精细分析与传统方法的比较

通过对汽轮机转子蠕变－疲劳耦合寿命分析的传统方法与精细方法的算例比较和结果分析，指出了精细分析方法的合理性、优越性以及应用前景．图５表１参６     

燃气轮机透平叶片流-热-固耦合分析及蠕变寿命预测

本文采用流-热-固耦合方法,对某燃气轮机透平动叶的流场、温度场以及应力分布进行了计算分析,并据此对叶片的蠕变寿命进行了计算,得到了蠕变寿命云图,发现该叶片的寿命最短点与温度最高点、应力最大点不在同一位置。相较于传统的选取温度最高和应力最大的节点作为危险点进行寿命分析的方法,对叶片所有节点进行寿命计算,形成寿命云图的方法,能更加直观准确地找到寿命最短的位置,从而更好地评估设计方案。     

基于热流耦合方法的岩体内渗水水温变化过程模拟

鉴于正确判断出水原因及渗水来源是制定防渗加固措施的重要依据,将热流耦合方法引入到岩体裂隙渗水计算中,分析渗水来源、渗水量、渗漏路径及岩体温度等对渗水温度的影响程度。结合某实际工程导流洞首次过流时在附近出现的10个渗水点,应用该方法模拟由导流洞到出水点的渗水过程。结果表明,6个出水点的温度仿真结果与实测水温接近,佐证了渗水来自导流洞的推断;2个距导流洞较近的出水点仿真温度偏高,极有可能是真实的渗漏路径较长所致;另有2个位置较远的点仿真温度偏低,初步推测可能受周边温度较低的地下水影响。这说明热流耦合方法可应用于模拟岩体裂隙中渗水水温变化过程,为初步判断岩体内渗水来源提供了依据。     

基于Comsol Multiphysics的通水冷却热流耦合数值分析

当前针对大体积混凝土通水冷却热流耦合问题的数值分析还存在许多不足,面临着简化较多、精细模拟十分困难的局面。为此,基于Comsol Multiphysics多场耦合有限元软件中的流体流动模块和传热模块,进行了通水冷却热流耦合精细化数值分析,将计算结果与理论解、通水冷却等效算法进行对比,验证了Comsol耦合精细化算法的正确性和可行性。结果表明,Comsol耦合精细化算法在模拟水管沿程温度变化和水管附近的温度值变化方面比等效算法更加精确,更能体现真实的温度梯度,为后续的热应力分析奠定了基础。     

柴油机缸盖热固耦合强度故障诊断与优化设计分析

本文利用一维热力学、三维流体力学、三维有限元法和虚拟疲劳强度预测方法,系统的对某机型柴油机的缸盖进行模拟计算,针对缸盖中的裂纹失效进行故障诊断、找到故障原因,并提出优化方案,最终通过试验验证方案的有效性.采用热固耦合计算方法完成了缸盖结构的失效模式分析,同时,文中对柴油机缸盖故障诊断和改进设计过程中值得关注的细节也做了详细分析,试验结果证明该分析方法对缸盖结构优化和改进工作有重要的工程指导作用.     

低风速风力发电机轮毂强度与疲劳寿命分析

利用ANSYS有限元软件,对正常运行工况和危险工况下的低风速风力发电机轮毂进行了有限元分析,得到了轮毂的应力分布状况。利用ANSYS的Fatigue模块对轮毂进行了疲劳寿命计算,并进行了强度校核,危险工况下的应力分析表明,轮毂满足强度的要求,安全系数为2.1,轮毂的疲劳寿命为8.8 a。     

F级重型燃气轮机部件寿命评估方法

参考某现代重型燃气轮机的运行维护要求,建立了F级重型燃气轮机在设计和运行阶段进行部件寿命评估的方法和流程,以及所应遵循的评估准则,并以此为基础完善F级重型燃气轮机部件寿命评估体系.     

火电厂高温锅炉管道寿命评估方法的可靠性

简述了电厂高温锅炉管道的寿命评估方法--持久强度法、蠕变损伤法以及蠕变曲线逐步外推法,深入讨论了其可靠性,并指出了应注意的问题.结果表明:持久强度法可靠性差,蠕变损伤法及蠕变曲线逐步外推法可靠性较高.     

基于流固耦合的轴流泵叶轮强度分析

对某泵站卧式双向全调节轴流泵在正向抽水工况时各个转角下的叶轮强度进行了单向流固耦合计算,首先将CFD计算得到的叶片表面水压力作为结构面载荷加载到叶片上,再利用有限元软件ANSYS计算叶轮的强度,得到了各个工况下叶轮的静应力分布及变形情况。结果表明,在各叶片安放角下,叶轮静应力最大值随着扬程的升高而增大,且均出现在叶片与轮毂的结合处,应力集中易使此处产生疲劳破坏;最大变形量出现在叶片进水边靠近轮缘位置;静应力的最大值远小于叶轮材料的屈服强度,不足以使叶轮产生裂纹。     

基于热机耦合的柴油机活塞热应力及疲劳寿命分析

通过建立活塞裙部型线、活塞优化后的燃烧室及内冷油道等的有限元模型,采用PERMAS软件计算了优化后的活塞在标定工况下的温度场和热机耦合应力,分析了活塞的疲劳寿命,并测量了800h热冲击试验后,活塞环槽、活塞外圆尺寸等尺寸和型线的变化情况。结果表明:活塞高温区域主要分布在活塞顶部,最高温度约为301℃,在活塞材料许用范围内;第一环槽的表面平均温度为194℃,低于润滑油结焦温度230℃;增加了20%喷油量时,活塞的表面温度仍可满足设计要求。在活塞受到热机耦合作用时,活塞向主推力面方向倾斜,主推力面受力较大,约为44N/mm2,活塞销座表面最大应力值区域主要分布在后端销孔上侧,约为98N/mm2,应力值均在许用范围内。活塞疲劳寿命最低的部位在活塞燃烧室底部及燃烧室喉口,理论寿命分别为6.9和7.7,800h热冲击试验后,活塞环槽、销孔、活塞环槽底径、活塞外援尺寸等尺寸变化均较小,活塞外圆型线和椭圆型线变化不大,能够满足使用要求。     

新的蠕变-疲劳耦合损伤下活塞热-机疲劳寿命预测方法

建立了一种新的蠕变-疲劳非线性耦合损伤下铸铝合金材料热-机疲劳寿命预测模型,开展了铸铝合金材料力学性能与蠕变-疲劳试验测试,对寿命预测模型进行了验证.其次,对比活塞热-机耦合有限元计算结果与温度场测试结果,对有限元模型进行了验证.最后,用新的热-机疲劳寿命预测模型对活塞的热-机疲劳寿命进行了预测.结果表明：新的蠕变-疲劳寿命预测模型预测结果均位于2倍误差带内,该模型具备良好的寿命预测能力;活塞热-机蠕变-疲劳耦合损伤中蠕变损伤占比较大,约为53.9%;活塞热-机蠕变-疲劳耦合损伤关键区域位于活塞销座与加强肋连接处,活塞在热-机载荷耦合作用下的热-机疲劳循环寿命为4 290,满足可靠性要求.     

甲型和甲-Ⅰ型发动机全新设计的第Ⅲ级涡轮转子及涡轮盘强度与寿命考核试验

本文记述了甲型和甲-Ⅰ型发动机第Ⅲ级涡轮转子和涡轮盘全新设计过程中,为配合设计、改型、定型、定寿所进行的一系列超温、超转、破裂转速以及低循环疲劳试验。试验结果已用于指导该机涡轮转子的设计、机组定型和确定轮盘的批准寿命。     

基于单向流固耦合的风力机动模态计算方法研究

针对小型水平轴风力机提出了基于单向流固耦合的动模态计算方法,较好地实现了风力机稳态运行工况下模态参数的预测。首先进行流场计算,获得风力机表面压力分布特征,进而将气动载荷、离心力、重力作为边界条件进行有预应力的模态分析,该计算模式只考虑气动力作用于固体场引起的变形,忽略固体反弹造成的流场扰动,适用于叶片刚度较大的小型水平轴风力机动模态参数的仿真。算法综合应用了风轮实体化建模、部件间约束实体化设置、贴体网格、网格膨胀、网格多区域分层划分、动静网格搭接、INTERFACE界面数据传输、SST k-ω技术,实现了计算的高精度。