工业燃气轮机叶片分析

1. 介绍

燃气轮机在现代工业中最常见的两个应用是燃气涡轮发电机和燃气涡轮压缩机。在燃气涡轮发电机涡轮动力装置中有一个发电机，要发电，发电机需要一个原动力，这就是燃气涡轮。燃气轮机将燃料(如天然气)中的化学能转化为机械能。由涡轮机出口轴产生的机械能通过齿轮箱传递到发电机轴。这种类型的电力一般有低或中等水平的电压，转换成高电压使用升压变压器。

在现代燃气轮机中，为了将燃气的化学能转化为机械能，燃料必须在燃气轮机的燃烧室中进行燃烧。空气通过进气口进入燃气轮机，并与适量的天然气混合。空气和气体的比例是根据气体的热值、空气质量、湿度和离海平面的高度来确定的。点火系统使最初的火花提供所需的热量。

当燃烧室内的火焰稳定下来时，点火系统就会关闭。燃气轮机性能最关键的过程是控制燃烧和产生适量的高压废气。废气被供应到涡轮，涡轮旋转叶片，然后旋转涡轮轴。空气易受污染，污染会影响燃烧过程，甚至危害系统，降低整体性能，筛选和过滤是进口空气的基本初始步骤。在适当的仪器仪表的帮助下，还监测空气和燃料的通风压力和温度。

涡轮空气压缩机是一种轴向压缩机，包括径向安装在涡轮进口轴上的多级叶片。 涡轮叶片的两种材料是经过广泛研究选择的，发现最适合高温、高频和高转速的叶片。 材料为 Inconel 718 和 Ti-6Al-4V。 叶片的设计在 Solidworks 2019 中进行，在 ANSYS 2019 和 2020 中进行分析。

2. 分析在ANSYS 2019和2020中对涡轮叶片进行分析。叶片分析在3500 rpm保持恒定的整个分析。分析过程的基本步骤是定义网格。网格划分的方法是四面体。材料的属性在软件中定义，如表1所示。

图-1：涡轮叶片的网格模型

对于Inconel 718和Ti-6Al-4V合金，初始温度、根部温度和涡轮叶片温度分别定义为23C、300C和1200℃。结果是根据总热通量和定向热通量。

图 -2：Ti-6Al-4 的总热通量

图 -3：Ti-6Al-4V 的定向热通量

图 -4：Inconel 718 的总热通量

图 -5：Inconel 718 的定向热通量

2.2模态分析通过模态分析得到Ti-6Al-4V在100.14Hz, 246.11Hz, 419.76Hz和Inconel 718在99.174Hz, 241.11Hz, 411.66HZ的总变形量。

图 -6：Ti-6Al-4V 在 100.14Hz 时的总变形

图 -7：Ti-6Al-4V 在 246.11Hz 时的总变形

图 -8：Ti-6Al-4V 在 419.76Hz 时的总变形

图 -9：99.174Hz 时 Inconel 718 的总变形

图 -10：Inconel 718 在 241.11Hz 时的总变形

 图 -11：411.66Hz 时 Inconel 718 的总变形

结果

3.1 ti-6a1-4v稳态热分析结果表明，最大总热流为3.9184 W/mm2，最大方向热流为3.8969 W/mm2。模态分析结果表明，在100.14Hz, 246.11Hz, 419.76Hz下的总变形为18.6mm, 18.748mm。分别为23.164毫米718年

3.2铬镍铁合金稳态热分析结果表明，最大总热流为6.5502 W/mm2，最大方向热流为6.5124 W/mm2。模态分析在99.174Hz、241.11Hz、411.66Hz时的总变形分别为13.657mm、13.775mm、16.83mm。

1. 结论

从上述结果可以看出，这两种材料都给出了相当大的结果。一种材料的总热流值取决于该材料的热导率。稳态热分析结果表明，Ti-6Al-4V合金的总热流比 Inconel 718合金的总热流低40%左右。因此，Ti-6Al-4V材料比Inconel 718的效果更好。对于这两种材料，所有3种模式的总变形都在增加。但与Ti-6Al-4V相比，Inconel 718在几乎相同的频率下变形更小。对于耐高温材料来讲，Inconel 718是更好的选择。