一种燃气轮机热部件寿命稳健性的设计方法技术

本发明专利技术公开了燃气轮机热部件寿命稳健性的设计方法，具体涉及燃气轮机技术领域，包括步骤S1：采用流

【技术实现步骤摘要】
一种燃气轮机热部件寿命稳健性的设计方法


[0001]本专利技术涉及燃气轮机
，尤其是涉及一种燃气轮机热部件寿命稳健性设计方法。

技术介绍

[0002]燃气轮机热部件，特别是涡轮叶片、燃烧室、护环等是地面燃气轮机的高温关键部件。燃气轮机热部件服役在高温、高压、高转速等恶劣环境下，其可靠性对燃机稳定运行至关重要。由于频繁的启动导致工况的变化，热部件将承受较大的低频率变化的离心载荷和较大的热载荷，因此低循环疲劳是限制热部件使用寿命的重要因素。因此，在设计阶段，要确保热部件有足够的低循环疲劳寿命。
[0003]现有的地面燃气轮机热部件寿命预测多是基于热部件温度场和流场的计算结果，开展确定结构的有限元分析以获得应力/应变分布，然后使用Manson
‑
Coffin(曼森
‑
柯芬_人名)公式得到热部件寿命。然而在热部件制造加工及服役过程中，材料参数、几何结构参数、运行载荷均存在不同程度的不确定性，上述因素使得热部件疲劳寿命存在一个较大概率区间。现有热部件的设计方法，尚未考虑上述因素的波动对热部件寿命的影响，导致热部件的设计寿命无法准确预估。
[0004]因此有必要对影响热部件寿命可靠性的因素进行合理的控制和优化。开展燃气轮机热部件寿命稳健性设计，可以提高热部件服役寿命，降低热部件疲劳寿命对载荷、材料参数等随机变量的灵敏度，提高寿命预测的准确性及可靠性，最终为燃气轮机大修计划制定提供准确依据。
[0005]中国专利CN105608316B公开了一种计算发动机主燃烧室火焰筒实际使用寿命的方法。所述计算发动机主燃烧室火焰筒实际使用寿命的方法包括步骤1：获取对比用发动机的设计点状态寿命、起飞点状态寿命以及高温起飞点状态寿命；步骤2：获取对比用发动机的设计点状态寿命、起飞点状态寿命以及的高温起飞点状态寿命；步骤3：获取在第二载荷谱下，待测发动机的设计点状态寿命、起飞点状态寿命以及高温起飞点状态寿命；步骤4：获取第二载荷谱下待测发动机理论首翻期的设计点状态寿命、起飞点状态寿命及高温起飞点状态寿命；步骤5：计算待测发动机的火焰筒实际使用寿命。该专利技术未考虑不确定因素，如温度载荷、材料参数等会导致火焰筒设计寿命无法准确预估。
[0006]中国专利CN201910433274.2公开了一种涡轮叶片疲劳
‑
蠕变损伤耦合概率寿命预测计算方法。所述方法包括以下步骤：S1、收集涡轮叶片属性；S2、确定考核部位；S3、对涡轮叶片进行有限元仿真，得到涡轮叶片考核点应力应变信息；S4、计算疲劳损伤：通过低周疲劳寿命模型计算得到疲劳寿命和疲劳损伤信息；S5、计算蠕变损伤：通过蠕变寿命模型计算蠕变寿命和蠕变损伤信息；S6、计算总体损伤并进行寿命分布拟合；S7、基于累积损伤理论，结合多种工况寿命信息得到叶片最终概率寿命分布。虽然该专利考虑了材料、载荷、几何尺寸对寿命的影响，但未公开如何解决提高涡轮叶片寿命设计稳健性的技术问题。
[0007]中国专利CN107895088B涉及一种航空发动机燃烧室寿命预测方法，包括：航空发
动机燃烧室CFD分析；航空发动机燃烧室弹塑性静力学分析；航空发动机燃烧室载荷谱编制；航空发动机燃烧室基体合金疲劳试验件设计：设计哈氏合金蠕变疲劳实验标准件；航空发动机燃烧室基体合金疲劳试验载荷设计；航空发动机燃烧室基体合金试验；采用支持向量机(SVM)与遗传算法(GA)相结合的方法，建立航空发动机燃烧室基体合金损伤预测模型；航空发动机燃烧室寿命预测。虽然该专利公开了CFD和支持向量机的算法，但是该专利技术是解决如何预测燃烧室寿命的问题，并未公开如何解决提高燃烧室稳健性及火焰筒寿命的技术问题。

技术实现思路

[0008]为了解决燃气轮机热部件的寿命稳健性低的问题，本专利技术提供了一种燃气轮机热部件寿命稳健性的设计方法。
[0009]为了实现本专利技术的目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]一种燃气轮机热部件寿命稳健性的设计方法，包括
[0011]步骤S1：采用流
‑
热
‑
固耦合分析方法获得温度场，并采用瞬态有限元分析方法获得燃机起机到停机过程中热部件考核点的循环应力
‑
应变曲线；
[0012]步骤S2：通过循环应力
‑
应变曲线获得热部件考核点的应变幅，根据热部件材料的Manson
‑
Coffin公式以及获得的应变幅，计算热部件的低循环疲劳寿命；且采用响应面法建立热部件低循环疲劳寿命代理模型；
[0013]步骤S3：设定热部件的稳健性设计变量，包括可控变量和噪声变量，将热部件低循环疲劳寿命的最大均值和最小标准差设为设计目标，并确定约束条件，建立基于分位数的参数设计优化模型；
[0014]进一步地，针对不同的热部件，其约束条件是不一样的；
[0015]步骤S4：采用SPEA
‑
II多目标优化算法对基于分位数的参数设计优化模型进行求解，得到目标函数值及对应的设计变量。
[0016]进一步地，所述步骤S1中的应力应变曲线获取步骤为：
[0017]步骤1：通过热力学公式计算得到热部件温度场计算边界条件参数；
[0018]步骤2：采用CFD软件对热部件的流场和固体温度场进行求解，获得热部件从起机到停机过程中温度场的分布；
[0019]步骤3：将CFD计算中得到的固体域节点上的温度直接映射到ANSYS计算的热部件固体域节点上，进行热部件应力应变计算；
[0020]步骤4：确定考核点，并得到热部件固体域考核点的循环应力
‑
应变曲线。
[0021]进一步地，所述考核点是使热部件发生结构强度失效的区域。
[0022]进一步地，所述步骤S2中获取低循环疲劳寿命代理模型的步骤：
[0023]步骤11：选取设计变量X，设定原始样本数量n，并采用正交试验获取原始样本，对热部件进行有限元分析，得到考核点的平均应力和应变幅值，并通过具有平均应力修正的Mason
‑
Coffin公式进行计算:得到低循环疲劳寿命N
f
，将计算得出的低循环疲劳寿命N
f
称为原始样本点；
[0024]步骤12：对设计变量进行变换：其中x
i
为设计变量X的第i个样本，μ
i
和σ
i
为设计变量的均值和标准差，x
′
i
为空间尺寸变化后的初始样本点；
[0025]步骤13：随机选取n1个初始样本点，通过响应面法进行机器学习，得出学习模型；
[0026]步骤14：取剩余的n
‑
n1个初始样本点作为检测样本点，监测学习模型的精度，若通过学习模型计算得到的低循环疲劳寿命与初始样本点之间的误差大于a％，重复步骤13和步骤14，若监测的学习模型的精度满足通过学习模型计算得到的低循环疲劳寿命与初始样本点之间的误差≤a％，则进行步骤1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃气轮机热部件寿命稳健性的设计方法，其特征在于，包括步骤S1：采用流
‑
热
‑
固耦合分析方法获得温度场，并采用瞬态有限元分析方法获得燃机起机到停机过程中热部件考核点的循环应力
‑
应变曲线；步骤S2：通过循环应力
‑
应变曲线获得热部件考核点的应变幅，根据热部件材料的Manson
‑
Coffin公式以及获得的应变幅，计算热部件的低循环疲劳寿命；且采用响应面法建立热部件低循环疲劳寿命代理模型；步骤S3：设定热部件的稳健性设计变量，包括可控变量和噪声变量，将热部件低循环疲劳寿命的最大均值和最小标准差设为设计目标，并确定约束条件，建立基于分位数的参数设计优化模型；步骤S4：采用SPEA
‑
II多目标优化算法对基于分位数的参数设计优化模型进行求解，得到目标函数值及对应的设计变量。2.根据权利要求1所述的燃气轮机热部件寿命稳健性的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中的应力应变曲线获取步骤为：步骤1：通过热力学公式计算得到热部件温度场计算边界条件参数；步骤2：采用CFD软件对热部件的流场和固体温度场进行求解，获得热部件从起机到停机过程中温度场的分布；步骤3：将CFD计算中得到的固体域节点上的温度直接映射到ANSYS计算的热部件固体域节点上，进行热部件应力应变计算；步骤4：确定考核点，并得到热部件固体域考核点的循环应力
‑
应变曲线。3.根据权利要求1或2中所述的燃气轮机热部件寿命稳健性的设计方法，其特征在于，所述考核点是使热部件发生结构强度失效的区域。4.根据权利要求1所述的燃气轮机热部件寿命稳健性的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中获取低循环疲劳寿命代理模型的步骤：步骤11：选取设计变量X，设定原始样本数量n，并采用正交试验获取原始样本，对热部件进行有限元分析，得到考核点的平均应力和应变幅值，并通过具有平均应力修正的Mason
‑
Coffin公式进行计算:得到低循环疲劳寿命N
f
，将计算得出的低循环疲劳寿命N
f
称为原始样本点；步骤12：对设计...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝吉兵，魏佳明，余沛坰，徐睿，邵艳红，屠瑶，隋永枫，潘慧斌，初鹏，郑健生，
申请(专利权)人：杭州汽轮动力集团有限公司，
类型：发明
国别省市：