(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210688426.5 (22)申请日 2022.06.17 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 李浦　宋谭　袁奇　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 闵岳峰 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔 设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种燃气轮机轮盘周向均布 椭圆形拉杆孔设计方法， 用于 快速获得应力优化 的椭圆孔拉杆孔结构， 包括： 1)基于燃气轮机轮 盘预紧力和传扭要求， 确定拉杆个数和直径； 2) 根据拉杆直径、 拉杆个数和轮盘换热要求， 初步 确定拉杆孔直径和节圆直径； 3)基于轮盘内和外 径参数， 建立带拉杆孔轮盘平 面应力有限元分析 模型； 4)考虑拉杆孔节圆直径、 拉杆孔周向和径 向尺寸的不同参数， 施加离心力载荷， 计算拉杆 孔应力分布， 获得临界孔径弧长比； 5)如果孔径 弧长比小于临界值， 采用椭圆形结构进行应力优 化分析， 获得拉杆孔优化结构； 若孔径弧长比大 于临界值， 迭代拉杆节圆直径以满足此要求； 6) 采用实际轮 盘3D模型， 进行 结构应力优化验证 。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 115081133 A 2022.09.20 CN 115081133 A 1.一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法， 其特征在于， 该方法用于快速 获得应力优化的椭圆孔拉杆孔结构， 包括以下步骤： 1)基于燃气轮机轮 盘预紧力和传扭要求， 确定拉杆个数和直径； 2)根据拉杆直径、 拉杆个数和轮 盘换热要求， 初步确定拉杆孔 直径和节圆直径； 3)基于轮 盘内和外径参数， 建立带拉杆孔轮 盘平面应力有限元分析模型； 4)考虑拉杆孔节圆直径、 拉杆孔周向和径向尺寸， 施加离心力载荷， 计算拉杆孔应力分 布， 获得临界孔径弧长比； 5)如果孔径弧长比小于临界值， 采用椭圆形结构进行应力优化分析， 获得拉杆孔优化 结构； 若孔径弧长比大于临界值， 迭代拉杆节圆直径以满足此要求； 6)采用实际轮 盘3D模型， 进行 结构应力优化验证。 2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法， 其特征 在于， 所述的轮盘椭圆形拉杆孔设计， 用于平面摩擦传扭轮盘结构， 或用于端面齿轮盘结 构， 在保证传扭能力的前提下， 通过改变拉杆孔结构实现应力优化目标。 3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法， 其特征 在于， 步骤1)中， 拉杆数量根据 平面接触轮盘和端面齿传扭轮盘两种结构， 满足安全裕度而 保证转子的整体性和安全性， 要求轮盘预紧名义压应力和重力产生的脱开应力之比大于1， 实际机组中可达10以上。 4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法， 其特征 在于， 步骤2)中， 拉杆孔径为1.0 ‑1.05倍拉杆直径。 5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法， 其特征 在于， 步骤3)中， 根据初步确定的拉杆孔直径和位置， 建立平面应力分析参数化有 限元模 型， 能够快速 评估变参数拉杆孔 位置的应力集中。 6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法， 其特征 在于， 步骤4)中， 采用步骤3)得到的参数化有限元模型， 考虑轮盘离心力， 计算不同拉杆直 径、 不同节圆直径下的拉杆孔无量纲系数即孔径弧长比， 得到临界孔径弧长比γcr， 即拉杆 孔应力最小所对应的参数。 7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法， 其特征 在于， 步骤5)中， 根据步骤2)中初始设计参数， 计算其孔径节圆比 若γ＜γcr， 通过 改变椭圆孔的长短轴比降低轮盘应力； 若γ＞γcr， 结合轮盘尺寸、 传扭和换热要求， 迭代改 变拉杆孔直径和节圆直径， 以满足其孔径节圆比小 于临界值的要求γ＜γcr， 进而采用椭圆 孔设计实现应力优化。 8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法， 其特征 在于， 步骤1) ‑步骤5)中的分析均采用平面应力模型， 实际三维轮盘结构复杂， 步骤6)中采 用实际轮盘3D模型进行应力 分析， 针对某实际燃气轮机轮盘， 采用椭圆形拉杆孔后的应力 下降10％。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115081133 A 2一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆 形拉杆孔 设计方法 技术领域 [0001]本发明属于燃气轮机技术领域， 具体涉及 一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆 孔设计方法。 背景技术 [0002]燃气轮机广泛采用拉杆组合式转子结构， 各级轮盘通过中心一根拉杆或周向均布 的多个螺栓预紧连接。 轮盘强度是组合式转子结构完整性的重要指标， 主要载荷包括离心 力、 预紧力以及热应力。 周向拉杆转子可以通过布置多根拉杆实现大预紧力， 适合大功 率重 型燃气轮机， 例如美 国通用公司和日本三菱重工的重型燃气轮机均采用周向多拉杆转子。 但拉杆孔结构设计需要考虑以下两个问题： 首先， 周向均 布的拉杆孔破坏了轴对称结构， 因 此无法采用轴对称简化模型进 行分析， 需要建立三维模型而增加设计成本； 其次， 拉杆孔具 有显著的应力集中， 在离心力和预紧力综合作用下， 应力状态复杂， 例如： 重型燃气轮机发 生过多起因为轮盘拉杆孔裂纹引起的振动超标甚至机组事故。 拉杆孔位置不仅影响轮盘应 力， 而且受拉杆直径、 轮盘传扭指标等多方面因素限制。 因此， 拉杆孔设计对组合式转子轮 盘强度分析 具有重要意 义。 [0003]在现有技术中， 主要采用二维轴对称模型计算和三维实体模型校核方法。 二维轴 对称模型即忽略非对称结构(拉杆孔、 冷却孔等)进行结构设计， 主要评估平均应力是否满 足要求， 对于 拉杆孔等 非对称结构， 需要采用三 维有限元进 行应力校核。 现有分析方法中并 未明确燃气轮机轮盘非对称结构的应力 分析和结构设计标准。 单独采用三维模型计算， 耗 时严重， 对于产品设计或结构优化并不经济实用。 发明内容 [0004]本发明的目的在于提供一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法。 本发 明基于平面应力分析， 建立了燃气 轮机轮盘拉杆孔应力分析和以解决拉杆孔应力过大而引 起的结构失效问题。 [0005]为达到实现上述目的， 本发明采用如下技 术方案： [0006]一种燃气轮机轮盘周向均布椭圆形拉杆孔设计方法， 该方法用于快速获得应力优 化的椭圆孔拉杆孔结构， 包括以下步骤： [0007]1)基于燃气轮机轮 盘预紧力和传扭要求， 确定拉杆个数和直径； [0008]2)根据拉杆直径、 拉杆个数和轮 盘换热要求， 初步确定拉杆孔 直径和节圆直径； [0009]3)基于轮 盘内和外径参数， 建立带拉杆孔轮 盘平面应力有限元分析模型； [0010]4)考虑拉杆孔节圆直径、 拉杆孔周向和径向尺寸， 施加离心力载荷， 计算拉杆孔应 力分布， 获得临界孔径弧长比； [0011]5)如果孔径弧长比小于临界值， 采用椭 圆形结构进行应力优化分析， 获得拉杆孔 优化结构； 若孔径弧长比大于临界值， 迭代拉杆节圆直径以满足此要求； [0012]6)采用实际轮 盘3D模型， 进行 结构应力优化验证。说　明　书 1/4 页 3 CN 115081133 A 3