汽轮机叶根受力状态的实验研究

论文摘要

电，已经成为现代生产与生活不可缺少的一部分。为了解决电力供应紧张、常规能源减少的问题，开发新型环保能源是未来的趋势。然而，就我国而言，传统的燃煤发电仍占发电总量的绝大部分，这种局面一时难以扭转。如何利用有限的资源创造出更多的能源，是摆在我们面前的难题。汽轮机作为火力发电机组的主要设备，其性能左右着电力系统的能源转化效率。燃煤汽轮机的大容量化，高参数化，是汽轮机发电技术的发展方向。汽轮机的发电密度越高，容量越大，需要其排气量越大，末级叶片更长。叶片通过叶根与汽轮机转子相连，太长的叶片由于产生太大的离心力将对叶根的力学参数带来极大的挑战，充分了解叶根的受力状况及其与轮缘的接触力学状态就显得十分必要与紧迫。平面光弹性法通常用来分析叶根轮缘形状对于叶根受力状态、最大应力的位置和应力集中部位有直观的表达，但在进行定量计算时要用到剪应力差法，而等倾线的精确定位比较困难，从而引起较大的误差。利用数字图像相关方法可以很容易获得叶根模型的变形场与应变场，进而得到叶根最大应力值、应力集中系数和各齿间的应力分配情况。通过添加润滑油来研究润滑条件对叶根受力状态的影响，发现润滑剂在一定程度上改善了齿间的应力分布状况。本文首次提出利用数字图像相关方法来解决接触问题，并以叶根轮缘的接触问题为对象进行了实验研究。一般情况下，接触应力集中于接触面附近很小的一个区域内，高应力区较小，应力梯度较大。润滑条件增大了接触应力的数值，接触应力与载荷在一定条件下呈分段线性关系。本文提出了有效接触长度的概念，并对三个齿的有效接触长度进行了计算，评价了接触状况。基于以上的研究结果，本文提出了齿形优化的建议。齿形优化以后，齿间最大应力与应力集中系数都有明显的下降；齿形优化还大大降低了最大接触应力值以及接触区域的应力梯度。所以说，齿形优化改善了叶根的受力状况及其与轮缘的接触状态，该优化方案是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 接触力学问题的研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 叶根应力状态的实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 数字图像相关方法简介
• 2.3 模型的简化说明
• 2.3.1 模型几何的简化
• 2.3.2 材料属性的变化说明
• 2.3.3 受力状态的简化
• 2.4 实验过程及结果分析
• 2.4.1 测试系统
• 2.4.2 正常工作状态下叶根的受力情况
• 2.4.3 润滑条件对叶根受力状态的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 叶根轮缘接触问题的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 接触力学理论基础
• 3.2.1 接触力学的概念
• 3.2.2 接触力学的分类
• 3.2.3 接触力学与弹性力学的主要区别
• 3.3 DIC 方法解决接触问题的验证实验
• 3.4 叶根轮缘接触问题实验研究
• 3.4.1 正常工作状态下的接触问题
• 3.4.2 润滑条件对接触应力的影响
• 3.4.3 不同转速下的接触应力状况
• 3.5 有效接触长度
• 3.5.1 基于应力的有效接触长度计算方法
• 3.5.2 基于位移的有效接触长度计算方法
• 3.5.3 不同转速下有效接触长度状况
• 3.6 本章小结
• 第四章 叶根齿形优化实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 齿形优化依据及方案
• 4.2.1 齿形优化的依据
• 4.2.2 齿形优化方案
• 4.3 齿形优化后的叶根受力状态及接触应力的实验研究
• 4.3.1 齿形优化后的叶根受力分析
• 4.3.2 齿形优化后的接触应力分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢