1.?介紹
燃?xì)廨啓C(jī)在現(xiàn)代工業(yè)中最常見的兩個(gè)應(yīng)用是燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)和燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)。在燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)渦輪動(dòng)力裝置中有一個(gè)發(fā)電機(jī)，要發(fā)電，發(fā)電機(jī)需要一個(gè)原動(dòng)力，這就是燃?xì)鉁u輪。燃?xì)廨啓C(jī)將燃料(如天然氣)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。由渦輪機(jī)出口軸產(chǎn)生的機(jī)械能通過齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)軸。這種類型的電力一般有低或中等水平的電壓，轉(zhuǎn)換成高電壓使用升壓變壓器。
在現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)中，為了將燃?xì)獾幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，燃料必須在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中進(jìn)行燃燒。空氣通過進(jìn)氣口進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，并與適量的天然氣混合。空氣和氣體的比例是根據(jù)氣體的熱值、空氣質(zhì)量、濕度和離海平面的高度來確定的。點(diǎn)火系統(tǒng)使最初的火花提供所需的熱量。
當(dāng)燃燒室內(nèi)的火焰穩(wěn)定下來時(shí)，點(diǎn)火系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉。燃?xì)廨啓C(jī)性能最關(guān)鍵的過程是控制燃燒和產(chǎn)生適量的高壓廢氣。廢氣被供應(yīng)到渦輪，渦輪旋轉(zhuǎn)葉片，然后旋轉(zhuǎn)渦輪軸。空氣易受污染，污染會(huì)影響燃燒過程，甚至危害系統(tǒng)，降低整體性能，篩選和過濾是進(jìn)口空氣的基本初始步驟。在適當(dāng)?shù)膬x器儀表的幫助下，還監(jiān)測空氣和燃料的通風(fēng)壓力和溫度。
渦輪空氣壓縮機(jī)是一種軸向壓縮機(jī)，包括徑向安裝在渦輪進(jìn)口軸上的多級葉片。 渦輪葉片的兩種材料是經(jīng)過廣泛研究選擇的，發(fā)現(xiàn)最適合高溫、高頻和高轉(zhuǎn)速的葉片。 材料為 Inconel 718 和 Ti-6Al-4V。 葉片的設(shè)計(jì)在 Solidworks 2019 中進(jìn)行，在 ANSYS 2019 和 2020 中進(jìn)行分析。
表 1：材料特性 |
特性 | 單元 | Inconel718 | Ti-6Al-4V |
密度 | g/cm2 | 8.19 | 4.43 |
楊氏模量 | MPa | 2E05 | 1.14E05 |
泊松比 |
| 0.31 | 0.342 |
拉伸屈服強(qiáng)度 | MPa | 1069 | 1100 |
拉伸極限強(qiáng)度 | MPa | 1375 | 900 |
導(dǎo)熱系數(shù) | W/mK | 11.2 | 6.7 |
2.?分析在ANSYS 2019和2020中對渦輪葉片進(jìn)行分析。葉片分析在3500 rpm保持恒定的整個(gè)分析。分析過程的基本步驟是定義網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的方法是四面體。材料的屬性在軟件中定義，如表1所示。
圖-1：渦輪葉片的網(wǎng)格模型
對于Inconel 718和Ti-6Al-4V合金，初始溫度、根部溫度和渦輪葉片溫度分別定義為23C、300C和1200℃。結(jié)果是根據(jù)總熱通量和定向熱通量。
圖 -2：Ti-6Al-4 的總熱通量
圖 -3：Ti-6Al-4V 的定向熱通量
圖 -4：Inconel 718 的總熱通量
圖 -5：Inconel 718 的定向熱通量
2.2模態(tài)分析通過模態(tài)分析得到Ti-6Al-4V在100.14Hz, 246.11Hz, 419.76Hz和Inconel 718在99.174Hz, 241.11Hz, 411.66HZ的總變形量。
圖 -6：Ti-6Al-4V 在 100.14Hz 時(shí)的總變形
?
圖 -7：Ti-6Al-4V 在 246.11Hz 時(shí)的總變形
圖 -8：Ti-6Al-4V 在 419.76Hz 時(shí)的總變形
圖 -9：99.174Hz 時(shí) Inconel 718 的總變形
圖 -10：Inconel 718 在 241.11Hz 時(shí)的總變形
?圖 -11：411.66Hz 時(shí) Inconel 718 的總變形
結(jié)果
3.1?ti-6a1-4v穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果表明，最大總熱流為3.9184 W/mm2，最大方向熱流為3.8969 W/mm2。模態(tài)分析結(jié)果表明，在100.14Hz, 246.11Hz, 419.76Hz下的總變形為18.6mm, 18.748mm。分別為23.164毫米718年
?
3.2鉻鎳鐵合金穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果表明，最大總熱流為6.5502 W/mm2，最大方向熱流為6.5124 W/mm2。模態(tài)分析在99.174Hz、241.11Hz、411.66Hz時(shí)的總變形分別為13.657mm、13.775mm、16.83mm。
表 2：穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果 |
范圍 | 單元 | Inconel718 | Ti-6Al-4V |
總熱通量 | W/mm2 | 6.5502 | 3.9184 |
定向熱通量 | W/mm2 | 6.5124 | 3.8969 |
表 3：模態(tài)分析 Ti-6Al-4V 結(jié)果 |
頻率（赫茲） | 總變形量(mm) |
100.14 | 18.6 |
246.11 | 18.748 |
419.76 | 23.164 |
表 4：模態(tài)分析 Inconel718 結(jié)果 |
頻率（赫茲） | 總變形量(mm) |
99.174 | 13.657 |
241.11 | 13.775 |
411.66 | 16.83 |
1.?結(jié)論
從上述結(jié)果可以看出，這兩種材料都給出了相當(dāng)大的結(jié)果。一種材料的總熱流值取決于該材料的熱導(dǎo)率。穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果表明，Ti-6Al-4V合金的總熱流比 Inconel 718合金的總熱流低40%左右。因此，Ti-6Al-4V材料比Inconel 718的效果更好。對于這兩種材料，所有3種模式的總變形都在增加。但與Ti-6Al-4V相比，Inconel 718在幾乎相同的頻率下變形更小。對于耐高溫材料來講，Inconel 718是更好的選擇。
?