某燃机动叶及压气机组件应力计算与振动分析

论文摘要

动力机械结构强度关系着机组的安全运行，本文以燃气轮机动叶及压气机组件为研究对象，对其强度和振动特性作数值计算及分析研究，并设计了压气机气动性能试件中的主要零部件应力及振动参数的测试试验方案。1.以压气机第一级叶轮、叶片及前半轴组件为研究对象，采用商用有限元软件ABAQUS分别对其循环对称模型与整体模型进行稳态应力计算，验证两种计算模型的精度。在应力计算中，分别对叶根与轮槽之间的绑定模型与接触模型作分析，结果表明采用接触模型更符合对这类结构实际受力状态。给出叶轮及叶片接触模型应力场分布规律及高应力区的最大应力值，计算并分析该成熟机组叶轮及叶片在离心力载荷下各自的安全储备系数。2.在结构的振动特性分析中，计算了压气机第一级单只动叶振动特性，得到单只叶片的静、动频及相应的各阶振型，绘制单只叶片的坎贝尔图，分析了工作转速下可能发生的共振点。3.对压气机第一级叶轮、叶片及前端轴组件耦合振动特性分析，采用循环对称模型计算旋转与非旋转态下的频率及振型，根据频率随转速的变化，绘制坎贝尔图，根据“三重点”共振理论及调频标准，分析工作转速范围内出现的“三重点”共振，找到发生共振时的固有频率和激振频率，并对共振点振动应力发生部位进行分析，提出避开共振的安全措施。4.透平动叶承受离心载荷和热载荷等，为了保证机组运行的可靠性，要对透平动叶的强度进行分析。本文对透平一级动叶温度场和应力场作了计算与分析。用ABAQUS软件，计算透平一级实心动叶在离心载荷和温度载荷作用下的应力分布，给出所计算零部件的强度校核结果。5.设计了压气机试验件中主要零部件结构应力、振动特性试验测试方案，给出各零部件测试方法、测试仪器选择及测量要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 燃气轮机转子叶轮及叶片
• 1.1.2 燃气轮机叶轮及叶片强度研究的意义
• 1.2 国内外对叶轮及叶片强度研究现状
• 1.2.1 单只叶片、叶-盘耦合系统振动特性研究
• 1.2.2 叶轮及叶片强度计算分析
• 1.2.3 高温叶片热-结构耦合分析
• 1.2.4 叶轮及叶片振动测试验证
• 1.3 本文的研究工作
• 1.3.1 研究与分析内容
• 1.3.2 研究方法及计算手段
• 第2章 有限元基本理论
• 2.1 振动模态分析理论
• 2.1.1 振动频率分析方法
• 2.1.2 无阻尼模态叠加法
• 2.1.3 ABAQUS 有限元模态分析
• 2.2 线性静力结构分析基础
• 2.3 叶片温度场计算基本原理
• 2.3.1 热传导方程
• 2.3.2 瞬态传热有限元方程[41]
• 2.3.3 稳态传热有限元方程
• 第3章 压气机组件和透平动叶结构建模
• 3.1 压气机主要组件结构简化
• 3.1.1 压气机主要组件有限元建模
• 3.1.2 单元类型的选择
• 3.1.3 压气机前端轴支撑结构
• 3.2 透平一级动叶结构简化
• 3.2.1 透平一级动叶建模
• 3.2.2 单元类型的选择
• 3.3 本文单位制
• 3.4 本章小结
• 第4章 压气机组件强度计算
• 4.1 有限元边界条件
• 4.2 材料属性
• 4.3 压气机叶片燕尾形叶根与轮槽的接触
• 4.4 有限元求解结果
• 4.4.1 压气机组件各模型位移求解结果对比
• 4.4.2 循环对称模型与整体模型应力分布对比
• 4.4.3 压气机叶片叶根与轮槽接触特性分析
• 4.4.4 循环对称模型叶片、轮盘局部应力分析
• 4.4.5 整体模型叶根和轮槽接触面绑定应力计算
• 4.4.6 本章小结
• 第5章 压气机第一级单只动叶振动特性分析
• 5.1 计算模型
• 5.2 边界条件
• 5.3 单只叶片的静、动频
• 5.4 单只叶片静、动频下的振型
• 5.5 叶片动频调频要求
• 5.6 单只叶片坎贝尔图分析
• 5.7 单只叶片谐波激励稳态响应分析
• 5.8 根部约束面积大小对自振频率的影响
• 5.9 本章小结
• 第6章 压气机组件振动特性分析
• 6.1 结构的边界条件
• 6.2 模态提取法
• 6.3 压气机组件非旋转、旋转态耦合振动
• 6.3.1 非旋转、旋转态的模态振型
• 6.3.2 非旋转、旋转态频率
• 6.3.3 结构耦合振动分析
• 6.4 压气机组件共振特性分析
• 6.4.1 “三重点”共振理论及调频标准
• 6.4.2 坎贝尔图分析
• 6.4.3 共振点振动应力分析
• 6.5 模型及计算结果的技术评价
• 6.6 本章小结
• 第7章 透平第一级实心动叶温度场及强度有限元分析
• 7.1 温度场计算
• 7.1.1 温度场分析所用边界条件
• 7.1.2 材料属性
• 7.1.3 计算结果及分析
• 7.2 应力分析
• 7.2.1 应力分析所用边界条件及载荷
• 7.2.2 计算结果与分析
• 7.3 本章小结
• 第8章 压气机结构强度与振动测试方案
• 8.1 压气机零部件的测试目的与内容
• 8.1.1 零部件强度测量需要考虑的问题
• 8.1.2 压气机试验件零部件结构的测试内容
• 8.2 测试设备或仪器选择及测试方法说明
• 8.2.1 压气机叶片固有频率的静态测量
• 8.2.2 压气机转子、轮盘振动模态试验测试
• 8.2.3 压气机叶片、轮盘、旋转轴的动频和动、静应力测量
• 8.3 压气机试验件中各零部件强度与振动测量方案
• 8.3.1 静叶片应力测试
• 8.3.2 动叶片应力测试
• 8.3.3 轮盘应力测试
• 8.3.4 压气机试验件转子组件共振与振动响应测量
• 8.3.5 转轴振动特性测试
• 8.4 本章小结
• 第9章 总结与展望
• 9.1 主要工作及成果总结
• 9.2 对燃气轮机强度设计问题的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果