论文题目: 船用汽轮机除湿级带冠叶片振动特性及寿命分析
论文类型: 博士论文
论文专业: 轮机工程
作者: 李剑钊
导师: 闻雪友,林志鸿
关键词: 船用汽轮机,除湿级,带冠叶片,碰撞阻尼,损伤力学
文献来源: 中国舰船研究院
发表年度: 2005
论文摘要: 本论文通过理论分析和试验,研究船用汽轮机除湿级带冠叶片的振动特性及疲劳寿命。叶片的安全可靠性是汽轮机安全运行的重要保证,叶片振动以及由此引起的疲劳损伤是导致回转机械叶片失效的一个重要原因。船用汽轮机除湿级采用的带冠叶片工作在高转速、变负荷、湿蒸汽等恶劣条件下,加之结构上与传统叶片明显不同,其安全性变得更为重要,对叶片强度、振动以及疲劳寿命等特性进行系统分析,具有重要的现实意义。本研究利用非线性阻尼模型,建立了带有碰撞阻尼的叶片三维实体单元的叶片结构整体动力学方程;进行了基于平板叶片的碰撞减振机理研究,计算分析了两只、三只叶片在不同叶冠间隙、不同激振力幅值和不同激振力频率条件下的振动特性;引入罚函数法进行带冠叶片的固有频率计算,并对带冠叶片的叶冠结构及质量、叶冠间隙以及叶身纵向槽道等因素进行了影响分析。结果表明:叶片的碰撞表现出非线性的振动特点,出现明显的频谱分量,具有碰撞条件的叶片可以抑制外力做功,外力做功能力随着叶冠间隙的减少而减少;叶冠间隙对叶片动应力有很大的影响,并呈现明显的规律性,当间隙一定时,对应的最大动应力不随激振力的增加而变化;叶身纵向槽道对叶片的固有特性影响较小,但槽道处有应力集中现象。本课题还对损伤力学理论与累积损伤理论进行了对比研究,并应用全耦合损伤力学理论对汽轮机叶片的疲劳寿命以及损伤进行了分析。累积损伤理论在寿命预测时高估了叶片的寿命,而多轴复杂应力状态加速了叶片材料的损伤演化,缩短了叶片的疲劳寿命;连续损伤累积模型更准确地反映了叶片材料的非线性损伤累积发展过程;采用损伤力学方法能对构件的损伤和寿命进行较精确的描述,能更真实地反映材料的损伤发展过程,与当前普遍采用的累积损伤理论相比,不论是在损伤理论模型还是分析方法方面都更为合理。实验研究工作主要在叶片的减振机理和振动特性方面。利用组建的实验装置和测试系统,对平板叶片的减振机理和带冠叶片动态特性进行了试验研究。试验结果表明:碰撞条件使得叶片振动出现明显的频谱分量,碰撞条件可以抑制外力做功;间隙安装的整圈带冠叶片具有单只叶片固有频率特性;叶冠间隙
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第1章 前言
1.1 课题背景和意义
1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 带冠叶片的结构型式
1.2.2 叶片的模化
1.2.3 叶片的模态分析
1.2.4 叶片的动力学特性分析
1.2.5 叶片的疲劳寿命分析
1.2.6 带冠叶片的实验研究
1.3 本论文的主要内容
第2章 碰撞叶片振动特性分析有限元方法
2.1 引言
2.2 叶片阻尼的机理
2.2.1 概述
2.2.2 材料阻尼
2.2.3 摩擦阻尼
2.2.4 气动阻尼
2.2.5 碰撞阻尼
2.3 碰撞阻尼
2.3.1 碰撞接触条件
2.3.2 非线性弹簧阻尼碰撞模型
2.4 汽流激振力
2.4.1 汽流激振源分析
2.4.2 流体稳定流动基本方程
2.4.3 激振力谐波分析
2.5 碰撞叶片有限元动力学方程的建立
2.5.1 有限元离散
2.5.2 坐标转换
2.5.3 转动叶片的运动微分方程
2.5.4 旋转叶片综合运动方程的建立
2.6 本章小结
第3章 叶片碰撞减振机理研究
3.1 引言
3.2 单只平板叶片的振动特性分析
3.2.1 单只平板叶片的固有频率
3.2.2 单只平板叶片的结构阻尼
3.2.3 单只平板叶片的受迫振动
3.3 两只平板叶片的振动特性分析
3.4 三只平板叶片的振动特性分析
3.5 碰撞减振能量分析
3.6 本章小结
第4章 除湿级带冠叶片振动特性分析
4.1 引言
4.2 除湿级带冠叶片结构
4.2.1 除湿级叶冠结构
4.2.2 除湿级叶身结构
4.2.3 叶根结构形式
4.3 除湿级带冠叶片应力分析
4.4 除湿级带冠叶片模态分析
4.4.1 特征值求解
4.4.2 单只叶片固有频率分析
4.4.3 整圈叶片模态分析
4.5 除湿级带冠叶片动应力分析
4.5.1 叶片动态载荷谱分析
4.5.2 动力学平衡方程的解法
4.5.3 叶片动应力分析
4.6 带冠叶片振动特性影响因素分析
4.6.1 叶冠对振动特性影响分析
4.6.2 叶冠间隙对振动特性影响分析
4.6.3 纵向槽道对振动特性影响分析
4.8 本章小结
第5章 带冠叶片疲劳的损伤力学分析
5.1 引言
5.2 叶片失效性分析
5.2.1 振动引起的疲劳
5.2.2 腐蚀、应力腐蚀疲劳
5.2.3 其它原因
5.3 叶片载荷谱分析
5.4 叶片疲劳分析的损伤力学方法
5.4.1 现行累积损伤理论及其特点
5.4.2 非线性损伤力学理论及其特点
5.4.3 对比分析与评价
5.5 损伤耦合分析方法
5.5.1 含损伤结构定解问题的求解方法
5.5.2 多轴高―低周疲劳损伤力学模型
5.5.3 含损伤本构关系的有限元推导
5.5.4 疲劳损伤分析应用
5.6 除湿级带冠叶片疲劳寿命分析
5.6.1 安全寿命疲劳设计
5.6.2 耦合损伤疲劳设计
5.7 本章小结
第6章 带冠碰阻叶片的实验研究
6.1 概述
6.2 实验目的
6.3 实验装置及实验方法
6.3.1 实验装置的组成
6.3.2 测试分析系统的构成
6.3.3 实验方法
6.4 实验结果及分析
6.4.1 叶片减振机理试验结果及分析
6.4.2 叶片动态特性试验结果及分析
6.5 本章小节
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的文章和取得的科研成果
致谢
发布时间: 2005-11-02
参考文献
- [1].船舶汽轮机叶栅气动性能优化与实验[D]. 高雷.哈尔滨工程大学2013
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