某型燃气轮机叶盘转子系统的动力学特性研究

论文摘要

燃气轮机作为大型的旋转机械,被广泛应用于航空、航天、水运、交通和电力等各个工业领域,在国防现代化建设和我国经济社会发展中起着至关重要的作用。近年来随着燃气轮机容量的不断增大,旋转速度的不断增高,转子振动问题日益突出。因此研究燃气轮机叶盘转子系统的动力学特性具有重要的工程意义。本文首先根据某型燃气轮机的图纸,利用SolidWorks软件建立了叶盘转子系统的三维立体模型。然后应用转动惯量互等的原理,得到了等效简化后的盘轴系统,建立了集中质量和分布质量两种传递矩阵模型。通过对已建立的传递矩阵模型进行模态分析,得到了燃气轮机盘轴转子系统的固有频率和振型,并对集中质量和分布质量两种模型所求结果进行了对比分析,验证了方法的正确性。为了进一步研究系统的固有振动特性,建立了燃气轮机叶盘转子系统的子结构模型,借助于ANSYS子结构法的优越性,再一次求解了系统的模态。其中,分别应用ANSYS整体法和子结构法进行了静频分析,并将结果作了讨论分析,验证了ANSYS子结构法的准确性和优越性。另外,还将ANSYS子结构法动频分析的结果与传递矩阵法结的果作了比较,验证了两种方法的正确性。不平衡是转子系统最常见的振动故障。为了分析不平衡对燃气轮机叶盘转子系统振动特性的影响,分别采用传递矩阵法和ANSYS子结构法求解了系统的不平衡响应,并探讨了偏心位置和偏心质量大小对系统不平衡响应的影响。同时,还针对两种方法所求得的不平衡响应结果进行了比较,验证了两种方法的正确性。利用偏心因素对不平衡响应的影响特性,借助叶盘转子系统,说明了不平衡响应在转子动平衡中的应用原理。叶盘系统的振动是燃气轮机叶盘转子系统振动的主要来源,因此对其进行单独的分析是十分有必要的。利用ANSYS软件建立了叶盘系统的基本扇区和完整叶盘两种有限元模型,分别求解了非旋转态和旋转态下叶盘系统的模态,并分析了其在气动载荷下的强迫振动响应。最后,建立了叶片定宽度和定长度时不同展弦比下叶盘系统的有限元模型,探讨了展弦比对叶盘系统固有振动特性的影响。本文以燃气轮机叶盘转子系统为研究对象,借助于传递矩阵法和ANSYS子结构法,求解了系统的固有模态及不平衡响应,并分析了单个叶盘系统气动载荷下的强迫振动响应,探讨了展弦比对叶盘系统固有振动特性的影响,这对燃气轮机叶盘转子系统的动力学问题具有较全面的概括和分析,在工程实际应用中具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景和意义
• 1.2 叶盘转子系统动力学特性的研究现状
• 1.2.1 转子系统计算方法的研究
• 1.2.2 转子系统不平衡响应的研究
• 1.2.3 叶盘系统振动特性的研究
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 叶盘转子系统模态分析的传递矩阵法
• 2.1 燃气轮机叶盘转子的物理模型
• 2.1.1 叶盘转子三维模型的建立
• 2.1.2 结构简化后的转子模型
• 2.2 传递矩阵模型的建立
• 2.2.1 集中质量模型
• 2.2.2 分布质量模型
• 2.3 典型元件的传递矩阵
• 2.3.1 刚性薄圆盘的点传递矩阵
• 2.3.2 弹性轴段的场传递矩阵
• 2.3.3 盘轴单元的传递矩阵
• 2.3.4 分布质量轴段的场传递矩阵
• 2.3.5 支承元件的点传递矩阵
• 2.4 转子系统的临界转速及振型
• 2.4.1 临界转速的计算
• 2.4.2 转子振型的计算
• 2.5 建模方法的对比分析
• 2.5.1 固有频率的比较
• 2.5.2 转子振型的比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 叶盘转子系统模态分析的ANSYS子结构法
• 3.1 子结构技术理论
• 3.2 ANSYS软件的子结构法
• 3.3 子结构模型的建立
• 3.3.1 轴承的等效简化
• 3.3.2 模型子结构的划分
• 3.4 叶盘转子系统的静频分析
• 3.4.1 子结构法静频的求解
• 3.4.2 叶盘转子的静频与振型
• 3.4.3 与整体法结果的比较
• 3.5 叶盘转子系统的动频分析
• 3.5.1 有预应力的ANSYS子结构法
• 3.5.2 叶盘转子动频与静频的比较
• 3.5.3 与传递矩阵法的对比分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 叶盘转子系统的不平衡响应分析
• 4.1 叶盘转子不平衡的影响因素
• 4.2 转子不平衡的振动机理
• 4.2.1 单圆盘转子模型和涡动
• 4.2.2 圆盘偏心引起的强迫振动
• 4.3 不平衡响应的传递矩阵解法
• 4.3.1 不平衡响应的求解过程
• 4.3.2 偏心因素对频响曲线的影响
• 4.4 不平衡响应的ANSYS子结构解法
• 4.4.1 载荷的施加及求解步骤
• 4.4.2 频响曲线的讨论与分析
• 4.4.3 与传递矩阵法结果的比较
• 4.5 不平衡响应在动平衡中的应用
• 4.6 本章小结
• 第5章 叶盘系统的振动特性分析
• 5.1 叶盘振动分析的意义
• 5.2 叶盘系统的模态分析
• 5.2.1 三维实体及有限元模型的建立
• 5.2.2 非旋转态固有频率和振型
• 5.2.3 旋转态固有频率和振型
• 5.3 气动载荷下的强迫响应分析
• 5.3.1 强迫振动分析理论
• 5.3.2 基于ANSYS的气动响应分析
• 5.4 叶片展弦比对振动特性的影响
• 5.4.1 叶盘系统展弦比的设计与建模
• 5.4.2 不同展弦比下振动特性的讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果