應(yīng)用熔融生長復(fù)合材料的超高效燃?xì)廨啓C(jī)的先期研究

張懷翼， 付玥， 付國強(qiáng)

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

近年來，正開發(fā)一種熔融生長復(fù)合材料MGC（Melt-Growth Composites），這種材料在1 700℃時(shí)也可保持很高的強(qiáng)度，并且耐氧化性能優(yōu)良。目前正將這種MGC材料應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)，以提高其溫度及壓力，有望在效率提高方面有所突破。以提高M(jìn)GC性能及評(píng)價(jià)MGC應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的可行性為目的，開始進(jìn)行了MGC超高效透平系統(tǒng)技術(shù)先期研究開發(fā)項(xiàng)目。

1 MGC應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的研究

1.1 M G C應(yīng)用于透平靜葉時(shí)的熱沖擊應(yīng)力研究

用MGC材料制造透平靜葉，在透平入口溫度為1 700℃的嚴(yán)酷條件下無需冷卻，但應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。特別是燃?xì)廨啓C(jī)緊急停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的熱沖擊應(yīng)力，可對(duì)MGC的透平靜葉造成致命性的破壞，危險(xiǎn)性極高。因此，在1 700℃額定運(yùn)行狀態(tài)下緊急停機(jī)，1 s內(nèi)降低1 000℃，即降至700℃，以這種極其嚴(yán)酷的條件下的熱沖擊應(yīng)力分析，對(duì)MGC應(yīng)用于透平靜葉的可行性進(jìn)行研究。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)性能的研究

由于MGC材料在1 700℃下強(qiáng)度也不會(huì)降低，可用于透平靜葉，且無需冷卻。研究對(duì)象是5MW等級(jí)的中小型燃?xì)廨啓C(jī)。循環(huán)計(jì)算結(jié)果中可以算出：在以往金屬材料的空冷燃?xì)廨啓C(jī)中，總壓比在30左右時(shí)效率達(dá)到了峰值；而在壓比大于40時(shí)效率就要降低。與此相比，透平靜葉使用了MGC材料時(shí)，效率及比功率都得到大幅提高。即總壓比為30，透平入口溫度為1 700℃時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)效率可達(dá)38%左右，與現(xiàn)有中小型燃?xì)廨啓C(jī)（壓比15，透平入口溫度1 100℃）效率29%相比，提高了9%。

2 葉片振動(dòng)預(yù)測方法

2.1 葉片振動(dòng)預(yù)測方法概述

在使用了MGC材料的燃?xì)廨啓C(jī)中，由于提高了工作流體的壓力，同以往機(jī)型相比，可能導(dǎo)致透平和壓氣機(jī)中的葉片氣動(dòng)激振力增大。因此，開發(fā)了可預(yù)測葉片振動(dòng)的、集氣動(dòng)分析和結(jié)構(gòu)分析為一體的綜合預(yù)測方法，并對(duì)預(yù)測精度時(shí)行了驗(yàn)證。即是這種已開發(fā)的預(yù)測方法的概要。在這種預(yù)測方法中：1）對(duì)于葉片進(jìn)行激振的方式（上游葉片的尾流等）；2）以葉片自身的固有振型為邊界條件求二維非定常CFD的非定常氣動(dòng)力，并將求得非定常氣動(dòng)力及結(jié)構(gòu)減振性能同時(shí)作為邊界條件，對(duì)葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)FEM分析，預(yù)測葉片共振時(shí)的振動(dòng)水平。

2.2 葉片振動(dòng)預(yù)測方法的精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述預(yù)測方法的精度，大型高速回轉(zhuǎn)葉柵試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，用熱線流速儀測量動(dòng)葉尾流。另一方面，在下游靜葉葉高的中央位置，在相對(duì)的2枚靜葉的壓力面（內(nèi)?。┖拓?fù)壓面（背?。┑母髯匀~弦方向，插入多個(gè)小型壓力傳感器，對(duì)由動(dòng)葉尾流碰撞引起的型面非定壓力進(jìn)行測量，還應(yīng)用變片測量靜葉振動(dòng)。

從動(dòng)葉黏性CFD分析中可獲得葉高中央位置的動(dòng)葉出口流速的周向分布情況，并同時(shí)利用熱線流速儀測得的結(jié)果比較。CFD分析能高精度地預(yù)測出動(dòng)葉的尾流波形。因此，將動(dòng)葉尾流作為入口邊界的干擾，對(duì)靜葉周圍進(jìn)行二維非定常CFD（線性歐拉法）分析。通過與靜葉型面非定常壓力振幅試驗(yàn)比較，經(jīng)確認(rèn)，可高精度地預(yù)測非定常壓力。在這種大型高速回轉(zhuǎn)葉柵試驗(yàn)裝置中，試驗(yàn)獲得的坎貝爾在某些轉(zhuǎn)速下，靜葉的高階振型與動(dòng)葉振階次共振，葉片產(chǎn)生很大振動(dòng)。在這里，使用通過CFD預(yù)測的非定常氣動(dòng)力，用FEM預(yù)測這個(gè)共振點(diǎn)下的葉片振動(dòng)水平，利用應(yīng)變與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)構(gòu)減振方面，則使用另行實(shí)施的試驗(yàn)靜葉激振試驗(yàn)中獲得數(shù)值。經(jīng)確認(rèn)，可高精度地預(yù)測葉激葉片振動(dòng)水平。

3 結(jié) 語

對(duì)應(yīng)用革新耐熱材料MGC的1 700℃級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中，透平靜葉的熱沖擊應(yīng)力燃?xì)廨啓C(jī)效率進(jìn)行了研究。另外，在提高應(yīng)用MGC的燃?xì)廨啓C(jī)壓力時(shí)，對(duì)重要的葉片振動(dòng)預(yù)測方法的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。通過驗(yàn)證結(jié)果，可明確以下幾點(diǎn)：1）由于透平靜葉采用的是空心結(jié)構(gòu)，因此緊急停機(jī)時(shí)的熱沖擊應(yīng)力可降到MGC允許的強(qiáng)度以下。2）將MGC應(yīng)用透平靜葉，以達(dá)到1 700℃時(shí)無需冷卻的目的，且同以往金屬材料空冷燃?xì)廨啓C(jī)相比，效率可提高9%之多。3）開發(fā)了CFD與FEM為一體的葉片振動(dòng)預(yù)測方法，并通過對(duì)大型高速回轉(zhuǎn)葉柵試驗(yàn)中取得的葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，確認(rèn)兩者的高階振型與振動(dòng)水平已非常一致。