一种蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计方法技术

本发明专利技术提供了一种蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计方法，包括：确定蒸汽轮机的技术规范及其数值或范围；计算蒸汽轮机通流部分的型线数据和气动力数据，将功能部件划分为核心和附件两类功能部件，确定核心功能部件性能设计参数的分布类型及参数值；抽取各性能设计参数多组并分别计算其对应的核心功能部件的应力和振动频率；计算各性能设计参数作用下的各核心功能部件的可靠度，进一步综合核算不同核心功能部件的可靠度；计算各附件功能部件可靠度；建立蒸汽轮机系统可靠性模型并计算系统可靠度；将计算得到的系统可靠度与设计指标比较，若不满足，则返回热力学性能设计阶段调整关键设计参数。本发明专利技术解决了性能设计与可靠性设计的脱节问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于蒸汽轮机设计领域，特别是指一种蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计方法。
技术介绍
蒸汽轮机是把蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力装备，以过热蒸汽为工质将热能转变为机械能，主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，广泛应用于大型舰船装备。蒸汽轮机作为大型舰船的一种动力装置，其性能和可靠性水平对舰船系统效能有重要影响。国内在蒸汽轮机设计过程中，没有能把性能规范和可靠性规范结合起来使用的新方法，依然采用性能设计与可靠性设计分开进行的办法。这种设计脱节的现象使得设计出的蒸汽轮机质量安全往往得不到保障，甚至可能造成灾难性事故。蒸汽轮机的研制工作常常侧重于性能设计而忽视可靠性设计，性能设计未能与可靠性设计有效地融合，阻碍了蒸汽轮机质量的提升和技术的发展。目前，在研制蒸汽轮机的过程中，或者仅考虑如何提高蒸汽轮机性能，或者只考虑如何提高其可靠性，又或者仅对蒸汽轮机某功能部件进行性能或者可靠性的设计，未能提出蒸汽轮机系统的性能/可靠性一体化设计方法。蒸汽轮机性能设计和可靠性设计的脱节会导致蒸汽轮机可靠性问题突出、返修率高，还大大增加了其研制周期、费用和工作量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计方法，解决性能设计与可靠性设计脱节的问题，在保证蒸汽轮机性能达到最优的条件下，使其可靠性指标也满足设计指标的要求。本专利技术提供的一种蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计方法，包括以下步骤：步骤1，确定蒸汽轮机的技术规范及其数值或范围，计算蒸汽轮机的通流部分热力学性能，获得通流部分的额定工况和20％工况的材料参数、型线数据和气
动力数据。所述技术规范包括蒸汽轮机功率、转速、工况、主蒸汽压力、温度、进汽量、正车级数和汽耗。步骤2，从故障发生频率及影响、设计难度、加工制造和造价等角度评价蒸汽轮机功能部件，将功能部件划分为核心功能部件和附件功能部件，确定核心功能部件性能设计参数的分布类型及其参数值。其中，核心功能部件的性能设计参数包括叶片的弹性模量、剪切模量、密度、安装值和高度、轮盘的密度和工作转速以，及转子的密度、弹性模量、泊松比、轴承刚度偏差和跨距变化值。步骤3，利用蒙特卡洛仿真方法抽取各性能设计参数若干组，本实施例以500组为例说明，根据通流部分的型线数据与气动力数据，分别计算各性能设计参数对应的核心功能部件的应力和振动频率并计算具体分布参数。步骤4，利用应力-强度干涉模型计算各性能设计参数对应的可靠度；根据各性能设计参数关系，获得各核心功能部件的可靠性模型并计算各核心功能部件的可靠度；结合可靠性-故障率模型与各附件功能部件故障率数据，计算各附件功能部件的可靠度。步骤5，结合蒸汽轮机各功能部件的结构特点与工作关系，得到蒸汽轮机各功能部件的系统工程图，建立蒸汽轮机系统可靠性模型并计算系统可靠度。步骤6，将计算得到的系统可靠度与设计指标比较；若满足要求，则完成蒸汽轮机的性能与可靠性一体化设计；若不满足要求，则需重新返回热力学性能设计阶段，调整关键设计参数。调整关键设计参数具体过程为：计算各功能部件对蒸汽轮机系统可靠性影响的重要程度，选择重要度最大的功能部件，计算各个性能设计参数对所述重要度最大的功能部件的可靠性影响的重要程度，将最重要的性能设计参数定为该功能部件的关键设计参数，探究关键设计参数对热力学和强度性能的影响，确定关键设计参数的调整方向和大小。将调整后的关键设计参数重新代入热力学性能、强度性能计算中，重复热力学设计计算、强度设计计算和可靠性设计计算，再与蒸汽轮机设计指标要求相比较；若满足设计指标要求，则完成性能与可靠性一体化设计；若不满足，则不断循环迭代，直至蒸汽轮机可靠性满足指标要求为止。可选地，所述步骤3中，采用正态分布、对数正态分布或威布尔分布计算具
体分布参数。所述步骤3中，采用有限元法计算各性能设计参数对应的核心功能部件的应力，采用能量法和pilkey模型计算各性能设计参数对应的核心功能部件的固有频率和各阶振动频率。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的方法从蒸汽轮机功能部件的热力学性能、振动和疲劳强度性能计算出发，将功能部件的性能计算与可靠性分析计算有机地联系起来，分析核算蒸汽轮机各功能部件的可靠度，建立蒸汽轮机的系统可靠性模型，进而计算得到蒸汽轮机系统的可靠度，对比验证了系统可靠性满足蒸汽轮机可靠性设计指标的要求，有效地解决了蒸汽轮机性能与可靠性设计脱节的问题，提高了蒸汽轮机的可靠性水平。另外，本专利技术提供的方法能显著提高蒸汽轮机的设计效率，缩短蒸汽轮机研制周期、降低费用、减少工作量。附图说明图1本专利技术实施例蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计流程；图2本专利技术实施例舰船蒸汽轮机系统工程图；图3本专利技术实施例舰船蒸汽轮机系统的可靠性框图模型。具体实施方式蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计过程：首先输入设计参数，进行蒸汽轮机各功能部件的热力学性能计算，将热力学性能计算结果作为振动、疲劳强度性能计算的输入，对各功能部件进行强度性能核算，输出振动频率和应力的均值与方差，将振动、疲劳强度计算结果导入各部件的相应可靠性模型，计算各功能部件的可靠度，并由蒸汽轮机的可靠性分析，建立蒸汽轮机的系统可靠性模型，再计算蒸汽轮机的系统可靠度。将计算得到的蒸汽轮机可靠度与蒸汽轮机可靠性设计指标比较，若满足设计指标要求，则完成性能与可靠性一体化设计，若不满足，则需要在性能指标的约束内，通过重要功能部件及关键设计参数分析，找到重要功能部件的关键设计参数，指出性能与可靠性一体化设计的优化方向，不断迭代，直至满足设计指标要求为止。参照图1所示，其为本专利技术实施例蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计流程，
具体包括以下步骤：步骤1，热力学性能设计计算步骤1.1，确定蒸汽轮机主要技术规范，蒸汽轮机主要技术规范包括蒸汽轮机功率、转速、工况、主蒸汽压力、温度、进汽量、正车级数和汽耗等。步骤1.2，设计通流部分基本结构：根据蒸汽轮机功率、效率的要求，设计各级叶片的静叶根径、静叶高度、静叶出口角度、动叶根径、动叶高度和动叶出口角度等通流部分基本几何数据。步骤1.3，根据蒸汽轮机通流部分基本几何数据，对蒸汽轮机通流部分进行热力学性能参数的核算，如获得蒸汽轮机功率、效率、额定工况和20％工况的材料参数、型线数据和气动力数据等。步骤2，强度性能分析计算步骤2.1，从故障发生频率及影响、设计难度、加工制造和造价等角度评价蒸汽轮机功能部件，并将功能部件分为核心功能部件和附件功能部件。选取蒸汽轮机的核心功能部件性能设计参数：叶片的弹性模量、剪切模量、密度、安装值和叶片高度，轮盘的密度和工作转速，转子的密度、弹性模量、泊松比、轴承刚度偏差、跨距变化值；选择蒸汽轮机中核心功能部件的热力学性能设计参数，确定其分布类型及其参数值；确定各性能设计参数分布类型及参数值，本实施例采用但不限于正态分布。核心功能部件性能设计参数组成的集合为自变量X，如下式所示：X＝{Xy，Xl，Xz本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，确定蒸汽轮机的技术规范及其数值或范围，计算蒸汽轮机的通流部分热力学性能，获得通流部分的功率、效率、额定工况和20％工况的材料参数、型线数据和气动力数据；步骤2，将功能部件划分为核心功能部件和附件功能部件，确定核心功能部件性能设计参数的分布类型及其参数值；步骤3，利用蒙特卡洛仿真方法抽取各性能设计参数若干组，根据通流部分的型线数据与气动力数据，分别计算各性能设计参数对应的核心功能部件的应力和振动频率并计算具体分布参数；步骤4，利用应力‑强度干涉模型计算各性能设计参数对应的可靠度；根据各性能设计参数关系，获得各核心功能部件的可靠性模型并计算各核心功能部件的可靠度；结合可靠性‑故障率模型与各附件功能部件故障率数据，计算各附件功能部件的可靠度；步骤5，结合蒸汽轮机各功能部件的结构特点与工作关系，得到蒸汽轮机各功能部件的系统工程图，建立蒸汽轮机系统可靠性模型并计算系统可靠度；步骤6，将计算得到的系统可靠度与设计指标比较；若满足要求，则完成蒸汽轮机的性能与可靠性一体化设计；若不满足要求，则需重新返回热力学性能设计阶段，调整关键设计参数。...

【技术特征摘要】
1.一种蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，确定蒸汽轮机的技术规范及其数值或范围，计算蒸汽轮机的通流部分热力学性能，获得通流部分的功率、效率、额定工况和20％工况的材料参数、型线数据和气动力数据；步骤2，将功能部件划分为核心功能部件和附件功能部件，确定核心功能部件性能设计参数的分布类型及其参数值；步骤3，利用蒙特卡洛仿真方法抽取各性能设计参数若干组，根据通流部分的型线数据与气动力数据，分别计算各性能设计参数对应的核心功能部件的应力和振动频率并计算具体分布参数；步骤4，利用应力-强度干涉模型计算各性能设计参数对应的可靠度；根据各性能设计参数关系，获得各核心功能部件的可靠性模型并计算各核心功能部件的可靠度；结合可靠性-故障率模型与各附件功能部件故障率数据，计算各附件功能部件的可靠度；步骤5，结合蒸汽轮机各功能部件的结构特点与工作关系，得到蒸汽轮机各功能部件的系统工程图，建立蒸汽轮机系统可靠性模型并计算系统可靠度；步骤6，将计算得到的系统可靠度与设计指标比较；若满足要求，则完成蒸汽轮机的性能与可靠性一体化设计；若不满足要求，则需重新返回热力学性能设计阶段，调整关键设计参数。2.根据权利要求1所述的蒸汽轮机性能与可靠性一体化设计方法，其特征在于：调整关键设计参数具体过程为：计算各功能部件对蒸汽轮机系统可靠性影响的重要程度，选择重要度最大的功能部件，计算各个...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓杰，洪晟，栾海峰，王江辉，张晓帆，孙龙龙，文盖雄，田磊，刘江，李剑钊，王超，丁化文，刘子亘，梁允志，王佳典，张晓瑞，芦清文，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一四研究所，中国船舶重工集团公司第七○三研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11