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摘要：本文研究对象为某型微型燃气轮机台架试验中出现故障的两级透平转子，该型机组在台架试验阶段出现过透平轮盘破碎的恶性事故。通过开展多学科的联合优化设计，以屈服储备、破裂储备等因素满足设计准则需求为目标，最终优化得满足使用需求的透平转子结构。优化设计后的透平转子也成功进行了超转破裂试验，验证了优化设计结果。目前该型燃机已在市场投入商业运行，无透平转子损坏故障。
关键词：微型燃气轮机;透平转子;结构优化设计;超转破裂试验
中图分类号：TK474.7+2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0015-02
0 引言
微型燃汽轮机体积小、重量轻、适用燃料范围广，可靠近用户安装，显著提高了对用户供电的可靠性。这些优点使得微型燃汽轮机在分散式供电、热电联供、车辆与小型船舶混合动力方面的应用得到了迅猛发展。
作为微型燃气轮机核心部件之一的透平盘，其工作在高温、高压、高转速状态下，工作环境十分恶劣，承受载荷复杂多变，因此其设计难度很大。微型燃气轮机透平转子设计需要气动、传热、结构强度转子通力合作不断迭代，综合考虑重量、寿命、效率与可靠性等因素，最终才能得到一个各方都能接受的最优结构方案。
1 优化设计背景
本文研究对象为某型燃气轮机透平转子。该型微型燃气轮机功率为500kW以下，属于微型燃气轮机，由离心压气机、单筒式燃烧室、两级轴流整体叶盘式透平转子组成，作为分布式能源使用时，其能源综合利用率最高可超过92%。
该型燃机整机试验时，透平第二级轮盘突然发生破裂，事故后现场破坏情况如图1所示。
发生这样严重的事故后，研发和测试人员对事故原因进行深入分析，有限元分析结果表明该型燃机透平轮盘周向破裂裕度严重不足，设计点状态下存在许多位置应力水平超过材料屈服极限，部分开孔位置甚至局部应力水平超过材料断裂极限。
事故中破裂的第二级透平转子为整体叶盘式，单级转子整圈共计有36个叶片，由于外委设计方设计经验不足，未能按流程进行完整设计，为了确保后续机型安全运行，对该型燃机透平转子进行结构优化势在必行。
2 优化设计
2.1 优化设计流程
基于CAE软件（ANSYS Mechanical+ HYPERMESH）和UG开展的优化设计，流道气动设计、二次流设计未在本文中进行优化。
首先基于UG软件，挑选合理变量，形成了透平转子盘身的參数化模型。进行参数化建模时必须确保每改变一个参数时，在几何拓扑中应该只有一处几何元素发生变化，且模型必须进行全约束，不能出现欠约束或者过约束的情况。
温度场分析模型通过ICEM进行网格划分，边界条件由主流道气动和二次空气系统提供，需确保转子各处温度不能超出材料长期使用许用温度。ANSYS中获取得温度载荷后，开展强度仿真分析，强度分析采用HYPERMESH进行网格划分后使用ANSYS软件进行加载分析。
2.2 热固耦合分析
结构强度分析基于前序完成的温度载荷及离心力、流道气动压力、非流道二次空气系统腔压等。通过这些载荷加载至弹塑性材料的有限元模型中我们可以得到详细的应力结果。
计算得到的稳态温度场结果见图2。
有限元网格见图3，边界条件为第一级盘前的端齿连接面施加轴向固支，模型内部各零件间采用标准接触，摩擦系数设置为0.15，叶片离心载荷和气动载荷分别在相应位置建立mass21单元的质量点上施加。
通过有限元分析，可以得到原始设计的两级透平转子等效应力分布，示意见图4。
2.3 盘体参数敏感性分析
几何全约束的透平盘参数化模型中的变量较多，本文在优化设计之初进行了灵敏度分析，以便捷的筛选出了对透平盘强度影响较大的关键几何尺寸参数，便于有针对性的提高后期优化设计效率。
进行透平盘盘体几何参数灵敏度计算时，各几何参数的范围选取为原始设计尺寸的±1%。首先，基于拉丁超立方抽样法构造响应面，每组抽样156次;其次使用随机抽样进行误差分析，每组误差检验的抽样为12次;最后以透平盘体最大等效应力、盘心最大周向应力与幅板最大径向应力作为灵敏度分析的目标函数。
对透平盘体最大等效应力、盘心最大周向应力与幅板最大径向应力影响较大的几何因素进行筛选，得到影响透平转子盘体强度的关键几何参数为Disk_R1（轮盘内径）、Disk_R2（轮盘外径）、Disk_A2（盘右侧幅板角度）、Disk_W6（盘缘厚度）、Disk_H1（右侧盘心高度）。
2.4 优化设计结果
本次优化设计的约束方程为：
①透平盘体各处单点屈服储备系数不低于1.1;
②盘心周向破裂储备不低于1.3;
③幅板径向破裂储备不低于1.3。
优化设计目标为满足约束方程前提下两级透平转子总质量最轻。
通过多轮优化设计，最终得到满足全部设计准则要求的最终结构。最终优化得的两级转子最大单点等效应力为787MPa，屈服储备最低达1.12。优化设计过程中，两级盘最低周向破裂裕度提升示意见图5。 3 试验验证
为了验证优化设计结果，并确保后期外场使用的安全性，在浙江大学高速旋转机械实验室开展了该型微燃机透平转子超转破裂试验。试验基本过程为试验转子转速以100～150rpm/s上升，当达到设定的满转速后，维持五分钟，如果未观察到明显异常发生，则转速进一步缓慢提升至110%设计转速，维持五分钟，如果未观察到明显异常，则转速进一步缓慢提升至115%设计转速维持五分钟，如果未观察到明显异常，则转速继续缓慢提升，直至某级转子发生破裂。（图6）
试验中二级透平盘先发生破裂，与理论分析一致，破裂转速与理论分析误差仅为1.35%，试验验证了理论分析的准确，同时试验结果也表明：该微型燃气轮机透平轮盘超转破裂能力满足设计要求，具备产品应用条件。
4 总结
本文以某型燃气轮机透平转子为研究对象，建立了全约束的参数化模型，对相关参数进行了敏感性分析，最终基于固热耦合，完成了优化设计。新优化设计的透平转子通过了超转破裂试验测试，目前已在产品上投入使用，商业运行截至目前未产生透平转子破坏故障。
参考文献：
[1]Yan C， Yin Z Y，Guo F S， et al. A newly improved collab orative optimization strategy： application to conceptual multidisciplinary design optimization of a civil aero-engine[R]， ASME， 2017.
[2]Shen Wencai ， Cao Yueyun. Thermo-Elastic-Plastic Analysis of Coupling Field and Touch Problem of Turbine Disc and Blade[J]， Thermal Turbine， 2009.
[3]Salnikov A V. Strength reliability of turbine rotor ensuring based on multidisciplinary optimization[C]， Proceeding of 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences， 2014.
[4]Marchukov E Y，Egorov I，Popov G，et al. Multidisci plinary optimization of the working process of uncooled axial turbine according to efficiency and strength criteria[R]， ASME，2017.
[5]王榮桥，胡殿印. 发动机结构可靠性设计理论与应用[M]. 北京：科学出版社，2017.
[6]中国金属学会高温材料分会.中国高温合金手册[M].北京：中国标准出版社，2012.
关键词：微型燃气轮机;透平转子;结构优化设计;超转破裂试验
中图分类号：TK474.7+2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0015-02
0 引言
微型燃汽轮机体积小、重量轻、适用燃料范围广，可靠近用户安装，显著提高了对用户供电的可靠性。这些优点使得微型燃汽轮机在分散式供电、热电联供、车辆与小型船舶混合动力方面的应用得到了迅猛发展。
作为微型燃气轮机核心部件之一的透平盘，其工作在高温、高压、高转速状态下，工作环境十分恶劣，承受载荷复杂多变，因此其设计难度很大。微型燃气轮机透平转子设计需要气动、传热、结构强度转子通力合作不断迭代，综合考虑重量、寿命、效率与可靠性等因素，最终才能得到一个各方都能接受的最优结构方案。
1 优化设计背景
本文研究对象为某型燃气轮机透平转子。该型微型燃气轮机功率为500kW以下，属于微型燃气轮机，由离心压气机、单筒式燃烧室、两级轴流整体叶盘式透平转子组成，作为分布式能源使用时，其能源综合利用率最高可超过92%。
该型燃机整机试验时，透平第二级轮盘突然发生破裂，事故后现场破坏情况如图1所示。
发生这样严重的事故后，研发和测试人员对事故原因进行深入分析，有限元分析结果表明该型燃机透平轮盘周向破裂裕度严重不足，设计点状态下存在许多位置应力水平超过材料屈服极限，部分开孔位置甚至局部应力水平超过材料断裂极限。
事故中破裂的第二级透平转子为整体叶盘式，单级转子整圈共计有36个叶片，由于外委设计方设计经验不足，未能按流程进行完整设计，为了确保后续机型安全运行，对该型燃机透平转子进行结构优化势在必行。
2 优化设计
2.1 优化设计流程
基于CAE软件（ANSYS Mechanical+ HYPERMESH）和UG开展的优化设计，流道气动设计、二次流设计未在本文中进行优化。
首先基于UG软件，挑选合理变量，形成了透平转子盘身的參数化模型。进行参数化建模时必须确保每改变一个参数时，在几何拓扑中应该只有一处几何元素发生变化，且模型必须进行全约束，不能出现欠约束或者过约束的情况。
温度场分析模型通过ICEM进行网格划分，边界条件由主流道气动和二次空气系统提供，需确保转子各处温度不能超出材料长期使用许用温度。ANSYS中获取得温度载荷后，开展强度仿真分析，强度分析采用HYPERMESH进行网格划分后使用ANSYS软件进行加载分析。
2.2 热固耦合分析
结构强度分析基于前序完成的温度载荷及离心力、流道气动压力、非流道二次空气系统腔压等。通过这些载荷加载至弹塑性材料的有限元模型中我们可以得到详细的应力结果。
计算得到的稳态温度场结果见图2。
有限元网格见图3，边界条件为第一级盘前的端齿连接面施加轴向固支，模型内部各零件间采用标准接触，摩擦系数设置为0.15，叶片离心载荷和气动载荷分别在相应位置建立mass21单元的质量点上施加。
通过有限元分析，可以得到原始设计的两级透平转子等效应力分布，示意见图4。
2.3 盘体参数敏感性分析
几何全约束的透平盘参数化模型中的变量较多，本文在优化设计之初进行了灵敏度分析，以便捷的筛选出了对透平盘强度影响较大的关键几何尺寸参数，便于有针对性的提高后期优化设计效率。
进行透平盘盘体几何参数灵敏度计算时，各几何参数的范围选取为原始设计尺寸的±1%。首先，基于拉丁超立方抽样法构造响应面，每组抽样156次;其次使用随机抽样进行误差分析，每组误差检验的抽样为12次;最后以透平盘体最大等效应力、盘心最大周向应力与幅板最大径向应力作为灵敏度分析的目标函数。
对透平盘体最大等效应力、盘心最大周向应力与幅板最大径向应力影响较大的几何因素进行筛选，得到影响透平转子盘体强度的关键几何参数为Disk_R1（轮盘内径）、Disk_R2（轮盘外径）、Disk_A2（盘右侧幅板角度）、Disk_W6（盘缘厚度）、Disk_H1（右侧盘心高度）。
2.4 优化设计结果
本次优化设计的约束方程为：
①透平盘体各处单点屈服储备系数不低于1.1;
②盘心周向破裂储备不低于1.3;
③幅板径向破裂储备不低于1.3。
优化设计目标为满足约束方程前提下两级透平转子总质量最轻。
通过多轮优化设计，最终得到满足全部设计准则要求的最终结构。最终优化得的两级转子最大单点等效应力为787MPa，屈服储备最低达1.12。优化设计过程中，两级盘最低周向破裂裕度提升示意见图5。 3 试验验证
为了验证优化设计结果，并确保后期外场使用的安全性，在浙江大学高速旋转机械实验室开展了该型微燃机透平转子超转破裂试验。试验基本过程为试验转子转速以100～150rpm/s上升，当达到设定的满转速后，维持五分钟，如果未观察到明显异常发生，则转速进一步缓慢提升至110%设计转速，维持五分钟，如果未观察到明显异常，则转速进一步缓慢提升至115%设计转速维持五分钟，如果未观察到明显异常，则转速继续缓慢提升，直至某级转子发生破裂。（图6）
试验中二级透平盘先发生破裂，与理论分析一致，破裂转速与理论分析误差仅为1.35%，试验验证了理论分析的准确，同时试验结果也表明：该微型燃气轮机透平轮盘超转破裂能力满足设计要求，具备产品应用条件。
4 总结
本文以某型燃气轮机透平转子为研究对象，建立了全约束的参数化模型，对相关参数进行了敏感性分析，最终基于固热耦合，完成了优化设计。新优化设计的透平转子通过了超转破裂试验测试，目前已在产品上投入使用，商业运行截至目前未产生透平转子破坏故障。
参考文献：
[1]Yan C， Yin Z Y，Guo F S， et al. A newly improved collab orative optimization strategy： application to conceptual multidisciplinary design optimization of a civil aero-engine[R]， ASME， 2017.
[2]Shen Wencai ， Cao Yueyun. Thermo-Elastic-Plastic Analysis of Coupling Field and Touch Problem of Turbine Disc and Blade[J]， Thermal Turbine， 2009.
[3]Salnikov A V. Strength reliability of turbine rotor ensuring based on multidisciplinary optimization[C]， Proceeding of 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences， 2014.
[4]Marchukov E Y，Egorov I，Popov G，et al. Multidisci plinary optimization of the working process of uncooled axial turbine according to efficiency and strength criteria[R]， ASME，2017.
[5]王榮桥，胡殿印. 发动机结构可靠性设计理论与应用[M]. 北京：科学出版社，2017.
[6]中国金属学会高温材料分会.中国高温合金手册[M].北京：中国标准出版社，2012.