带冠汽轮机叶片的干摩擦减振数值模拟

论文摘要

汽轮机叶片是汽轮机的关键零件,对于汽轮机的安全运行至关重要。叶片在气流周期性扰动力作用下可能发生异常振动,从而导致高周或低周疲劳失效。利用叶冠之间的干摩擦产生的阻尼,是一种有效抑制叶片振动、降低叶片动应力的手段。因此,研究叶冠干摩擦阻尼的减振机理十分必要。本文围绕带冠汽轮机叶片开展了以下工作:(1)引入“滞后”弹簧摩擦模型,将叶冠接触面之间的干摩擦力转换为等效刚度和等效阻尼。利用MATRIX27单元,建立了带冠叶片的干摩擦阻尼模型,根据该模型分析了摩擦系数和冠间间隙对等效刚度和等效阻尼的影响,并计算了使叶片振幅最小的最优正压力。(2)建立了带平行冠叶片的有限元模型,计算了该叶片的模态和固有频率,计算结果表明:常温零转速以及工作温度、工作转速下该叶片的一阶固有频率分别为1436Hz和1330Hz,温度载荷、离心载荷对叶片的固有频率影响较大,压力载荷对叶片固有频率影响较小。绘制了叶片的Campbell图,分析了该汽轮机叶片的共振转速。(3)建立了带“Z”型冠叶片的有限元模型,分析了工作转速下的叶片应力。采用不同模型(单叶片模型、成组叶片模型和整圈叶片模型),计算了其模态和固有频率。计算结果表明:在零转速和100%转速下叶片一阶固有频率分别为100Hz和140Hz。(4)分别计算了带平行冠和“Z”型冠锯齿冠叶片的动应力。考虑叶冠之间的干摩擦阻尼后,前者的动应力水平下降了40%左右,后者下降了55%左右,说明干摩擦阻尼具有明显的减振效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 叶片阻尼结构的研究现状
• 1.2.2 叶片建模及有限元分析
• 1.2.3 激振力模型与响应计算方法
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 基本理论
• 2.1 有限元方法的基本理论
• 2.1.1 虚功原理
• 2.1.2 有限元方程
• 2.2 干摩擦阻尼模型
• 2.2.1 Sgn 摩擦模型
• 2.2.2 “滞后”弹簧摩擦模型
• 2.2.3 微动滑移模型
• 2.3 干摩擦阻尼模型的求解技术
• 2.3.1 Sgn 摩擦模型的求解技术
• 2.3.2 “滞后”弹簧摩擦模型的求解技术
• 2.4 接触分析理论
• 2.4.1 接触问题及其基本假定
• 2.4.2 接触状态分类
• 2.4.3 增量法求解接触问题
• 2.5 小结
• 第三章 带冠叶片干摩擦减振机理
• 3.1 MATRIX27 单元简介
• 3.2 在叶冠间施加MATRIX27 单元
• 3.3 计算算例
• 3.3.1 正压力的影响
• 3.3.2 摩擦系数的影响
• 3.3.3 冠间间隙的影响
• 3.4 小结
• 第四章 平行冠叶片减振特性分析
• 4.1 平行冠叶片的有限元模型
• 4.1.1 叶片的有限元网格
• 4.1.2 载荷、边界条件及材料参数
• 4.2 带平行冠叶片的预扭分析
• 4.2.1 预扭装配工艺的作用
• 4.2.2 叶片预扭应力分析结果
• 4.3 模态分析
• 4.3.1 零转速下的固有频率和模态计算结果
• 4.3.2 转速对固有频率的影响
• 4.3.3 其他载荷对固有频率的影响
• 4.4 动应力分析
• 4.4.1 无干摩擦下的动应力计算结果
• 4.4.2 有干摩擦下的动应力计算结果
• 4.5 小结
• 第五章“Z”型冠叶片减振特性分析
• 5.1 “Z”型冠叶片的有限元模型
• 5.1.1 叶片的有限元网格
• 5.1.2 载荷、边界条件及材料参数
• 5.2 叶片应力分析
• 5.2.1 叶身应力的计算结果
• 5.2.2 叶冠应力的计算结果
• 5.2.3 榫头、榫槽的应力计算结果
• 5.3 模态分析
• 5.3.1 单叶片的模态、频率
• 5.3.2 成组叶片的模态、频率
• 5.3.3 整圈叶片的模态、频率
• 5.4 动应力分析
• 5.4.1 无干摩擦下的动应力计算结果
• 5.4.2 有干摩擦下的动应力计算结果
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文