一種蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法，包括：確定蒸汽輪機(jī)的技術(shù)規(guī)范及其數(shù)值或范圍；計(jì)算蒸汽輪機(jī)通流部分的型線數(shù)據(jù)和氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，將功能部件劃分為核心和附件兩類功能部件，確定核心功能部件性能設(shè)計(jì)參數(shù)的分布類型及參數(shù)值；抽取各性能設(shè)計(jì)參數(shù)多組并分別計(jì)算其對(duì)應(yīng)的核心功能部件的應(yīng)力和振動(dòng)頻率；計(jì)算各性能設(shè)計(jì)參數(shù)作用下的各核心功能部件的可靠度，進(jìn)一步綜合核算不同核心功能部件的可靠度；計(jì)算各附件功能部件可靠度；建立蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可靠性模型并計(jì)算系統(tǒng)可靠度；將計(jì)算得到的系統(tǒng)可靠度與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較，若不滿足，則返回?zé)崃W(xué)性能設(shè)計(jì)階段調(diào)整關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。本發(fā)明解決了性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)的脫節(jié)問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
-種蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是指一種蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 蒸汽輪機(jī)是把蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力裝備，W過(guò)熱蒸汽為工質(zhì)將 熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，主要用作發(fā)電用的原動(dòng)機(jī)，也可直接驅(qū)動(dòng)各種累、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶 螺旋獎(jiǎng)等，廣泛應(yīng)用于大型艦船裝備。蒸汽輪機(jī)作為大型艦船的一種動(dòng)力裝置，其性能和可 靠性水平對(duì)艦船系統(tǒng)效能有重要影響。
[0003] 國(guó)內(nèi)在蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒(méi)有能把性能規(guī)范和可靠性規(guī)范結(jié)合起來(lái)使用的新 方法，依然采用性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)分開(kāi)進(jìn)行的辦法。運(yùn)種設(shè)計(jì)脫節(jié)的現(xiàn)象使得設(shè)計(jì)出 的蒸汽輪機(jī)質(zhì)量安全往往得不到保障，甚至可能造成災(zāi)難性事故。蒸汽輪機(jī)的研制工作常 常側(cè)重于性能設(shè)計(jì)而忽視可靠性設(shè)計(jì)，性能設(shè)計(jì)未能與可靠性設(shè)計(jì)有效地融合，阻礙了蒸 汽輪機(jī)質(zhì)量的提升和技術(shù)的發(fā)展。
[0004] 目前，在研制蒸汽輪機(jī)的過(guò)程中，或者僅考慮如何提高蒸汽輪機(jī)性能，或者只考慮 如何提高其可靠性，又或者僅對(duì)蒸汽輪機(jī)某功能部件進(jìn)行性能或者可靠性的設(shè)計(jì)，未能提 出蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)的性能/可靠性一體化設(shè)計(jì)方法。蒸汽輪機(jī)性能設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)的脫節(jié) 會(huì)導(dǎo)致蒸汽輪機(jī)可靠性問(wèn)題突出、返修率高，還大大增加了其研制周期、費(fèi)用和工作量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法， 解決性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)脫節(jié)的問(wèn)題，在保證蒸汽輪機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)的條件下，使其可 靠性指標(biāo)也滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
[0006] 本發(fā)明提供的一種蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法，包括W下步驟：
[0007] 步驟1，確定蒸汽輪機(jī)的技術(shù)規(guī)范及其數(shù)值或范圍，計(jì)算蒸汽輪機(jī)的通流部分熱力 學(xué)性能，獲得通流部分的額定工況和20%工況的材料參數(shù)、型線數(shù)據(jù)和氣動(dòng)力數(shù)據(jù)。所述技 術(shù)規(guī)范包括蒸汽輪機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、工況、主蒸汽壓力、溫度、進(jìn)汽量、正車級(jí)數(shù)和汽耗。
[000引步驟2,從故障發(fā)生頻率及影響、設(shè)計(jì)難度、加工制造和造價(jià)等角度評(píng)價(jià)蒸汽輪機(jī) 功能部件，將功能部件劃分為核屯、功能部件和附件功能部件，確定核屯、功能部件性能設(shè)計(jì) 參數(shù)的分布類型及其參數(shù)值。其中，核屯、功能部件的性能設(shè)計(jì)參數(shù)包括葉片的彈性模量、剪 切模量、密度、安裝值和高度、輪盤的密度和工作轉(zhuǎn)速W，及轉(zhuǎn)子的密度、彈性模量、泊松比、 軸承剛度偏差和跨距變化值。
[0009] 步驟3,利用蒙特卡洛仿真方法抽取各性能設(shè)計(jì)參數(shù)若干組，本實(shí)施例W500組為 例說(shuō)明，根據(jù)通流部分的型線數(shù)據(jù)與氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的核屯、功 能部件的應(yīng)力和振動(dòng)頻率并計(jì)算具體分布參數(shù)。
[0010] 步驟4,利用應(yīng)力-強(qiáng)度干設(shè)模型計(jì)算各性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的可靠度;根據(jù)各性能 設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系，獲得各核屯、功能部件的可靠性模型并計(jì)算各核屯、功能部件的可靠度;結(jié)合 可靠性-故障率模型與各附件功能部件故障率數(shù)據(jù)，計(jì)算各附件功能部件的可靠度。
[0011] 步驟5,結(jié)合蒸汽輪機(jī)各功能部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作關(guān)系，得到蒸汽輪機(jī)各功能部 件的系統(tǒng)工程圖，建立蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可靠性模型并計(jì)算系統(tǒng)可靠度。
[0012] 步驟6,將計(jì)算得到的系統(tǒng)可靠度與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較;若滿足要求，則完成蒸汽輪機(jī) 的性能與可靠性一體化設(shè)計(jì);若不滿足要求，則需重新返回?zé)崃W(xué)性能設(shè)計(jì)階段，調(diào)整關(guān)鍵 設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0013] 調(diào)整關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)具體過(guò)程為：
[0014] 計(jì)算各功能部件對(duì)蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可靠性影響的重要程度，選擇重要度最大的功能 部件，計(jì)算各個(gè)性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)所述重要度最大的功能部件的可靠性影響的重要程度，將 最重要的性能設(shè)計(jì)參數(shù)定為該功能部件的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，探究關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)熱力學(xué)和強(qiáng) 度性能的影響，確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整方向和大小。
[0015] 將調(diào)整后的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)重新代入熱力學(xué)性能、強(qiáng)度性能計(jì)算中，重復(fù)熱力學(xué)設(shè) 計(jì)計(jì)算、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算和可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算，再與蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求相比較;若滿足設(shè)計(jì) 指標(biāo)要求，則完成性能與可靠性一體化設(shè)計(jì);若不滿足，則不斷循環(huán)迭代，直至蒸汽輪機(jī)可 靠性滿足指標(biāo)要求為止。
[0016] 可選地，所述步驟3中，采用正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布或威布爾分布計(jì)算具體分布 參數(shù)。
[0017] 所述步驟3中，采用有限元法計(jì)算各性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的核屯、功能部件的應(yīng)力，采 用能量法和Pilkey模型計(jì)算各性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的核屯、功能部件的固有頻率和各階振動(dòng) 頻率。
[0018] 本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提供的方法從蒸汽輪機(jī)功能部件的熱力學(xué)性能、振 動(dòng)和疲勞強(qiáng)度性能計(jì)算出發(fā)，將功能部件的性能計(jì)算與可靠性分析計(jì)算有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)， 分析核算蒸汽輪機(jī)各功能部件的可靠度，建立蒸汽輪機(jī)的系統(tǒng)可靠性模型，進(jìn)而計(jì)算得到 蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)的可靠度，對(duì)比驗(yàn)證了系統(tǒng)可靠性滿足蒸汽輪機(jī)可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，有 效地解決了蒸汽輪機(jī)性能與可靠性設(shè)計(jì)脫節(jié)的問(wèn)題，提高了蒸汽輪機(jī)的可靠性水平。另外， 本發(fā)明提供的方法能顯著提高蒸汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)效率，縮短蒸汽輪機(jī)研制周期、降低費(fèi)用、減 少工作量。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1本發(fā)明實(shí)施例蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)流程；
[0020] 圖2本發(fā)明實(shí)施例艦船蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)工程圖；
[0021] 圖3本發(fā)明實(shí)施例艦船蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)的可靠性框圖模型。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)過(guò)程:首先輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行蒸汽輪機(jī)各功 能部件的熱力學(xué)性能計(jì)算，將熱力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果作為振動(dòng)、疲勞強(qiáng)度性能計(jì)算的輸入，對(duì) 各功能部件進(jìn)行強(qiáng)度性能核算，輸出振動(dòng)頻率和應(yīng)力的均值與方差，將振動(dòng)、疲勞強(qiáng)度計(jì)算 結(jié)果導(dǎo)入各部件的相應(yīng)可靠性模型，計(jì)算各功能部件的可靠度，并由蒸汽輪機(jī)的可靠性分 析，建立蒸汽輪機(jī)的系統(tǒng)可靠性模型，再計(jì)算蒸汽輪機(jī)的系統(tǒng)可靠度。將計(jì)算得到的蒸汽輪 機(jī)可靠度與蒸汽輪機(jī)可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)比較，若滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，則完成性能與可靠性一 體化設(shè)計(jì)，若不滿足，則需要在性能指標(biāo)的約束內(nèi)，通過(guò)重要功能部件及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)分 析，找到重要功能部件的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，指出性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向，不斷迭 代，直至滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為止。
[0023] 參照?qǐng)D1所示，其為本發(fā)明實(shí)施例蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)流程，具體包 括W下步驟：
[0024] 步驟1，熱力學(xué)性能設(shè)計(jì)計(jì)算
[0025] 步驟1 . 1，確定蒸汽輪機(jī)主要技術(shù)規(guī)范，蒸汽輪機(jī)主要技術(shù)規(guī)范包括蒸汽輪機(jī)功 率、轉(zhuǎn)速、工況、主蒸汽壓力、溫度、進(jìn)汽量、正車級(jí)數(shù)和汽耗等。
[0026] 步驟1.2,設(shè)計(jì)通流部分基本結(jié)構(gòu):根據(jù)蒸汽輪機(jī)功率、效率的要求，設(shè)計(jì)各級(jí)葉片 的靜葉根徑、靜葉高度、靜葉出口角度、動(dòng)葉根徑、動(dòng)葉高度和動(dòng)葉出口角度等通流部分基 本幾何數(shù)據(jù)。
[0027] 步驟1.3，根據(jù)蒸汽輪機(jī)通流部分基本幾何數(shù)據(jù)，對(duì)蒸汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行熱力學(xué) 性能參數(shù)的核算，如獲得蒸汽輪機(jī)功率、效率、額定工況和20%工況的材料參數(shù)、型線數(shù)據(jù) 和氣動(dòng)力數(shù)據(jù)等。
[002引步驟2，強(qiáng)度性能分析計(jì)算
[0029] 步驟2.1，從故障發(fā)生頻率及影響、設(shè)計(jì)難度、加工制造和造價(jià)等角度評(píng)價(jià)蒸汽輪 機(jī)功能部件，并將功能部件分為核屯、功能部件和附件功能部件。選取蒸汽輪機(jī)的核屯、功能 部件性能設(shè)計(jì)參數(shù):葉片的彈性模量、剪切模量、密度、安裝值和葉片高度，輪盤的密度和工 作轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子的密度、彈性模量、泊松比、軸承剛度偏差、跨距變化值;選擇蒸汽輪機(jī)中核屯、 功能部件的熱力學(xué)性能設(shè)計(jì)參數(shù)，確定其分布類型及其參數(shù)值;確定各性能設(shè)計(jì)參數(shù)分布 類型及參數(shù)值，本實(shí)施例采用但不限于正態(tài)分布。核屯、功能部件性能設(shè)計(jì)參數(shù)組成的集合 為自變量X，如下式所示：
[0030] X= {Xy，Xi, Xzl
[0031 ] 二{Ey, . , Gy, . , Py, . , by, . , hy,.,化，ni ,化，Ez , Vz ,邑Z , kz }
[0032] 其中，Xy，Xi，Xz分別為葉片性能設(shè)計(jì)參數(shù)集，輪盤性能設(shè)計(jì)參數(shù)集，轉(zhuǎn)子性能設(shè)計(jì) 參數(shù)集;Ey,.為屯級(jí)葉片的彈性模量，本實(shí)施例將彈性模量分布化，因此各級(jí)葉片的彈性模 量不盡相同，如Eya表示第一級(jí)葉片的彈性模量，依此類推;Gy,.為屯級(jí)葉片的剪切模量， Py,.為屯級(jí)葉片的密度，by,.為屯級(jí)葉片的安裝值，hy,.為屯級(jí)葉片的葉片高度，Pl為輪盤的 密度，m為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，Pz為轉(zhuǎn)子的密度，Ez為轉(zhuǎn)子的彈性模量，Vz為轉(zhuǎn)子的泊松比，gz為轉(zhuǎn)子 的軸承剛度偏差kz為轉(zhuǎn)子的跨距變化值。
[0033] 步驟2.2，利用蒙特卡洛仿真法，抽取各性能設(shè)計(jì)參數(shù)若干組，本實(shí)施例W抽取500 組為例進(jìn)行說(shuō)明，分別計(jì)算500組性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的核屯、功能部件的應(yīng)力和振動(dòng)頻率，計(jì) 算方法如下：
[0034] 步驟2.2.1，基于熱力學(xué)性能計(jì)算的型線數(shù)據(jù)、氣動(dòng)力數(shù)據(jù)和各截面位置，計(jì)算考 慮自然扭轉(zhuǎn)后各葉片截面進(jìn)氣點(diǎn)、出氣點(diǎn)和背部的總應(yīng)力，比較各截面進(jìn)氣點(diǎn)、出氣點(diǎn)和背 部的總應(yīng)力大小，選擇總應(yīng)力最大的截面作為危險(xiǎn)截面，并比較危險(xiǎn)截面進(jìn)氣點(diǎn)、出氣點(diǎn)和 背部=者的總應(yīng)力，選擇總應(yīng)力最大位置的應(yīng)力作為最大應(yīng)力。
[0035] 步驟2.2.2,利用能量法計(jì)算固有頻率，利用pilkey模型計(jì)算各階振動(dòng)頻率，根據(jù) 蒸汽輪機(jī)的固有頻率判斷危險(xiǎn)頻率，選擇最接近固有頻率的振動(dòng)頻率階次作為危險(xiǎn)頻率。
[0036] Pstress 二（Pstress, y，Pstress, 1，Pstress, Z }
[0037] 其中，Pstress為強(qiáng)度性能，包括振動(dòng)強(qiáng)度和/或疲勞強(qiáng)度，Pstress, y，Pstress, 1，Pstress, Z 分別為葉片、輪盤和轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度性能。
[003引 Pstress'y = fl(Xy)
[0039] Pstress,l = f2(Xl)
[0040] Pstress,z = f3(Xz)
[0041] 步驟2.3,確定各功能部件分布類型及參數(shù):根據(jù)500組危險(xiǎn)頻率、最大總應(yīng)力的計(jì) 算結(jié)果，計(jì)算其均值和方差，確定蒸汽輪機(jī)各功能部件的振動(dòng)頻率、應(yīng)力的分布類型及具體 參數(shù)，本實(shí)施例采用但不限于正態(tài)分布，并計(jì)算核屯、功能部件的應(yīng)力裕度和振動(dòng)避開(kāi)率。
[0042] 步驟3,可靠性分析計(jì)算
[0043] 步驟3.1，蒸汽輪機(jī)各功能部件可靠性計(jì)算；
[0044] 步驟3.1.1，根據(jù)蒸汽輪機(jī)的工作轉(zhuǎn)速計(jì)算其共振頻率，根據(jù)葉片、輪盤和轉(zhuǎn)子的 材料，獲取其疲勞強(qiáng)度極限，而各附件功能部件的故障率則可依據(jù)手冊(cè)預(yù)計(jì)出來(lái)，作為蒸汽 輪機(jī)各功能部件可靠性分析的基礎(chǔ)。附件功能部件故障率組成的集合為自變量Y。
[0045] Y = { A-spring , A-bolt J A-JHOtor j ^seal }
[0046] 其中，Aspring為彈黃的故障率，AbDlt為螺栓連接件的故障率，AmDtDr為電機(jī)的故障率， 、eal為密封件的故障率。
[0047] 步驟3.1.2,利用工作頻率-共振頻率干設(shè)關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，獲得葉片振動(dòng)的可 靠性，利用應(yīng)力-強(qiáng)度干設(shè)關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型獲得葉片的疲勞可靠性，根據(jù)葉片的振動(dòng)與疲 勞可靠性的關(guān)系，綜合得出各級(jí)葉片的可靠性參數(shù);對(duì)于輪盤和轉(zhuǎn)子的可靠性，利用應(yīng)力- 強(qiáng)度干設(shè)關(guān)系建立輪盤和轉(zhuǎn)子的可靠性模型。
[004引 Ry = gl(Ps 付 ess.y)
[0049] Rl = g2 (Pstressa)
[0化0] Rz = g3(Pstress,z)
[00引]其中，R為可罪度，gl , g2 , g3為不問(wèn)的映射法則，Pstress, y , Pstress, 1 , Pstress, Z分力[J為葉 片、輪盤和轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度性能。
[0052] 步驟3.1.3,根據(jù)蒸汽輪機(jī)附件功能部件的故障率數(shù)據(jù)，利用可靠性-故障率模型 計(jì)算附件功能部件可靠性參數(shù)。
[0053] 各附件功能部件可靠度為：
[0化4] Rspring = g4(、pring)
[0化引化。It = S4(Abolt)
[0056] Rmotor = g4(人motor)
[0化7] Rseal = g4(、eal)
[0058] 其中，R為可靠性;g4為映射法則，四個(gè)附件功能部件采用相同的映射關(guān)系。
[0059] 步驟3.2，蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可靠性計(jì)算；
[0060] 步驟3.2.1，考慮蒸汽輪機(jī)中各功能部件的物理關(guān)系和工作關(guān)系，給出蒸汽輪機(jī)各 功能部件相互作用關(guān)系的系統(tǒng)工程圖，如圖2所示。
[0061] 步驟3.2.2,參照蒸汽輪機(jī)的系統(tǒng)工程圖，建立蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可靠性框圖模型，如 圖3所示，得到蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型，如下所示：
[0062]
[0063] 其中，Rsystem為蒸汽輪機(jī)的系統(tǒng)可靠度;Ry為葉片的可靠度;Rl為輪盤的可靠度;Rz 為轉(zhuǎn)軸的可靠度;Rspring為彈黃的可靠度;RbDlt為螺栓連接件的可靠度;RmDtDr為電機(jī)的可靠 度;Rseal為密封件的可靠度;X為核屯、功能部件的性能設(shè)計(jì)參數(shù)的集合;Y為附件功能部件的 失效率的集合。
[0064] 步驟3.2.3，將各功能部件的可靠度代入系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到蒸汽輪機(jī) 的系統(tǒng)可靠度。
[0065] 步驟3.2.4,將計(jì)算得到的系統(tǒng)可靠度與蒸汽輪機(jī)可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較，如滿 足蒸汽輪機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，則完成蒸汽輪機(jī)的性能與可靠性一體化設(shè)計(jì);若不滿 足，則需重新返回?zé)崃W(xué)性能設(shè)計(jì)，調(diào)整關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。需要說(shuō)明的是，蒸汽輪機(jī)可靠性設(shè) 計(jì)指標(biāo)MTBF應(yīng)符合G JB1371使用可用度要求，蒸汽輪機(jī)壽命服從指數(shù)分布規(guī)律，可得轉(zhuǎn)換后 的可靠度。
[0066] 優(yōu)化目標(biāo)：Rsystem^Rdesign
[0067] 約束條件:Ps tress ^Pdesign
[006引其中，Rdesign為蒸汽輪機(jī)可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)；
[0069] Pdesign為蒸汽輪機(jī)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)。
[0070] 步驟4,重要功能部件關(guān)鍵參數(shù)分析:計(jì)算各個(gè)功能部件對(duì)蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可靠性影 響的重要巧度，確吿關(guān)鍵功能部件的計(jì)算公式如下所示：
[0071]
[0072] 其中，i為葉片、輪盤、轉(zhuǎn)子、彈黃、螺栓連接件、電機(jī)或密封件。
[0073] 選擇重要程度最大的功能部件作為重要功能部件，計(jì)算重要功能部件的各種性能 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其可靠性的影響，選擇最重要的性能設(shè)計(jì)參數(shù)作為該功能部件的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參 數(shù)，根據(jù)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)熱力學(xué)和強(qiáng)度性能的影響，確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整方向和大小。
[0074] 步驟5,對(duì)熱力學(xué)性能、強(qiáng)度性能與可靠性進(jìn)行優(yōu)化;將調(diào)整后的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)重 新代入熱力學(xué)和強(qiáng)度性能計(jì)算中，重復(fù)熱力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算和可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算， 再與蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求比較，不斷循環(huán)迭代，直到系統(tǒng)可靠性滿足指標(biāo)要求。當(dāng)循環(huán)迭 代多次后，如果始終不能使系統(tǒng)可靠性滿足要求，需進(jìn)行人工決策。在本實(shí)施例中，循環(huán)迭 代的次數(shù)為五次。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:包括以下步驟： 步驟1，確定蒸汽輪機(jī)的技術(shù)規(guī)范及其數(shù)值或范圍，計(jì)算蒸汽輪機(jī)的通流部分熱力學(xué)性 能，獲得通流部分的功率、效率、額定工況和20 %工況的材料參數(shù)、型線數(shù)據(jù)和氣動(dòng)力數(shù)據(jù)； 步驟2,將功能部件劃分為核心功能部件和附件功能部件，確定核心功能部件性能設(shè)計(jì) 參數(shù)的分布類型及其參數(shù)值； 步驟3，利用蒙特卡洛仿真方法抽取各性能設(shè)計(jì)參數(shù)若干組，根據(jù)通流部分的型線數(shù)據(jù) 與氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的核心功能部件的應(yīng)力和振動(dòng)頻率并計(jì)算具 體分布參數(shù)； 步驟4,利用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型計(jì)算各性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的可靠度;根據(jù)各性能設(shè)計(jì) 參數(shù)關(guān)系，獲得各核心功能部件的可靠性模型并計(jì)算各核心功能部件的可靠度;結(jié)合可靠 性-故障率模型與各附件功能部件故障率數(shù)據(jù)，計(jì)算各附件功能部件的可靠度； 步驟5,結(jié)合蒸汽輪機(jī)各功能部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作關(guān)系，得到蒸汽輪機(jī)各功能部件的 系統(tǒng)工程圖，建立蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可靠性模型并計(jì)算系統(tǒng)可靠度； 步驟6,將計(jì)算得到的系統(tǒng)可靠度與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較;若滿足要求，則完成蒸汽輪機(jī)的性 能與可靠性一體化設(shè)計(jì);若不滿足要求，則需重新返回?zé)崃W(xué)性能設(shè)計(jì)階段，調(diào)整關(guān)鍵設(shè)計(jì) 參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:調(diào)整關(guān) 鍵設(shè)計(jì)參數(shù)具體過(guò)程為： 計(jì)算各功能部件對(duì)蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可靠性影響的重要程度，選擇重要度最大的功能部 件，計(jì)算各個(gè)性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)所述重要度最大的功能部件的可靠性影響的重要程度，將最 重要的性能設(shè)計(jì)參數(shù)定為該功能部件的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，探究關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)熱力學(xué)和強(qiáng)度 性能的影響，確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整方向和大小； 將調(diào)整后的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)重新代入熱力學(xué)性能、強(qiáng)度性能計(jì)算中，重復(fù)熱力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì) 算、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算和可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算，再與蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求比較;若滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要 求，則完成性能與可靠性一體化設(shè)計(jì);若不滿足，則不斷循環(huán)迭代，直至蒸汽輪機(jī)可靠性滿 足指標(biāo)要求為止。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步 驟3中，采用正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布或威布爾分布計(jì)算具體分布參數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步 驟3中，采用有限元法計(jì)算各性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的核心功能部件的應(yīng)力，采用能量法和 pilkey模型計(jì)算各性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的核心功能部件的固有頻率和各階振動(dòng)頻率。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述技 術(shù)規(guī)范包括蒸汽輪機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、工況、主蒸汽壓力、溫度、進(jìn)汽量、正車級(jí)數(shù)和汽耗。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機(jī)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，核心功 能部件的性能設(shè)計(jì)參數(shù)包括葉片的彈性模量、剪切模量、密度、安裝值和高度、輪盤的密度 和工作轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)子的密度、彈性模量、泊松比、軸承剛度偏差和跨距變化值。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106021692SQ201610323713
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】張曉杰, 洪晟, 欒海峰, 王江輝, 張曉帆, 孫龍龍, 文蓋雄, 田磊, 劉江, 李劍釗, 王超, 丁化文, 劉子亙, 梁允志, 王佳典, 張曉瑞, 蘆清文
【申請(qǐng)人】中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所, 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所, 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所