透平膨胀机叶轮强度及模态的分析研究

论文摘要

透平膨胀机是利用气体膨胀输出外功并产生冷量的机器。它是空气分离设备、天然气(石油气)液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部件,是保证整套设备稳定运行的心脏。而对于透平膨胀机来说,核心部件则是叶轮。然而,由于透平膨胀机具有工作温度变化较大且高速运转特性,极易出现叶轮强度不足或振动过大等问题。因此,通过研究透平膨胀机叶轮强度及固有振动特性以排除叶轮故障,提高其可靠性,一直是透平膨胀机在设计、生产和使用中十分关注的具有重要理论意义和工程应用价值的重大问题。本文应用有限元分析软件ANSYS对透平膨胀机叶轮,进行了强度和振动特性的有限元分析。首先计算了透平膨胀机叶轮的温度场分布,并采用热—结构耦合理论将温度场作为边界条件,计算出膨胀轮和增压轮所受到的温差应力,为后续的强度分析做铺垫。其次将温度场结果作为边界条件,并同时考虑离心力、温差应力及气动力三者共同作用时对叶轮的影响,求解出叶轮的应力分布及位移变形状况,并对膨胀轮及增压轮的强度进行了安全性校核。最后对透平膨胀机在工作状态下的叶轮进行了带有预应力结构的模态分析,得到了其在惯性力作用下的振动特性和振动形式,总结了透平膨胀机叶轮的模态特征,探讨了叶轮各部分对固有频率的影响。通过对叶轮振动特性和共振安全性分析,结果表明振动安全余量能够满足工程要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 插表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 透平膨胀机概述
• 1.3 国内外研究现状综述
• 1.3.1 透平膨胀机的研究现状
• 1.3.2 透平膨胀机叶轮的研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 研究分析方法
• 2.1 分析方法的确定
• 2.2 有限元法简介
• 2.2.1 有限元法的特点
• 2.2.2 有限元法的应用范围
• 2.2.3 有限元法求解问题的基本步骤
• 2.3 有限元软件及其应用
• 2.3.1 有限元软件介绍
• 2.3.2 有限元软件的分析流程
• 2.3.3 有限元软件—ANSYS
• 2.4 本章小结
• 第3章 透平膨胀机叶轮温度场的有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 温度场分析理论
• 3.2.1 热传导基本定律
• 3.2.2 热传导方程
• 3.2.3 温度场的边值条件
• 3.2.4 稳定温度场的变分原理
• 3.2.5 热变形与热应力计算
• 3.2.6 热分析有限元法的一般步骤
• 3.2.7 ANSYS的热—结构耦合场分析
• 3.3 叶轮温度场分析
• 3.3.1 叶轮实体模型的建立及材料属性
• 3.3.2 单元选择及有限元模型的建立
• 3.3.3 叶轮的温度场分布
• 3.3.4 叶轮的温差应力
• 3.4 本章小结
• 第4章 透平膨胀机叶轮强度的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 计算叶轮应力的有限元方法
• 4.2.1 弹性力学简介
• 4.2.2 叶轮强度计算方法
• 4.3 叶轮强度分析
• 4.3.1 叶轮实体模型的建立及材料属性
• 4.3.2 单元选择及有限元模型的建立
• 4.3.3 载荷情况和边界条件
• 4.3.4 叶轮的有限元分析结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 透平膨胀机叶轮动力学模态的有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 模态分析理论
• 5.2.1 叶轮的振动方程
• 5.2.2 叶轮结构的振动特性
• 5.2.3 动力学分析有限元法的特点
• 5.2.4 动力学分析有限元法的一般步骤
• 5.3 叶轮的计算模态分析
• 5.3.1 叶轮的计算模态分析过程
• 5.3.2 叶轮实体模型的建立及材料属性
• 5.3.3 单元选择及有限元模型的建立
• 5.3.4 载荷情况及边界条件
• 5.3.5 叶轮的有限元分析结果
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 1、主要结论
• 2、研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文