汽轮机自带围带叶片动力特性有限元分析

摘要

本文研究大型汽轮机自带围带叶片的振动特性，着重论述自带围带叶片的减振机理、影响减振效果的因素及其在运行过程中形成整圈自锁的条件。作为工程实例，将国产1029mm叶顶自由叶片改型为自带围带叶片，以三维实体单元模化复杂叶型，采用三维有限元方法，对改型叶片及整圈自锁叶片的动静力特性进行了理论分析和数值计算。 在集中参数模型分析方面，建立了单自由度模型，在该模型中考虑了围带接触面正压力N<,0>、接触刚度k<,d>、摩擦系数μ、与周向的夹角α、激振力幅值F<,0>对自带围带叶片减振特性的影响。其中，参数α的考虑是对已有模型的重要改进。参数α对阻尼围带的减振效果具有较大影响，合理地选取参数口可使阻尼围带的减振效果达到最佳。 在叶片建模方面，针对叶片变截面、大扭曲度、各特征截面型线为复杂曲线，不能用常规的初等曲线来描述的特点，提出了基于NURBS造型理论的叶片三维实体造型方法，对实例叶片进行了三维实体造型，利用三维实体模型并借助有限元方法来分析长叶片的动静力特性，改进了长叶片动静力特性分析方法。 在叶片动静力特性有限元分析方面，借助有限元分析软件ALGOR，研究了转速、围带工作面间初始间隙δ、与周向的夹角α对叶片扭转恢复角及围带接触紧度的影响：对自由叶片、整圈自锁叶片的固有频率、振型进行了计算分析，绘制了共振转速图(Campbell图)，并考核了整圈自锁叶片在2850～3090r/min范围内是否存在节径数m≤6的“三重点”共振，对机组的安全运行具有实际的指导意义；提出改进的摩擦模型解决计算过程中收敛困难的问题，研究了自带围带叶片的动态响应，得出围带间存在最佳初始间隙，并确定了关键参数的取值范围，为自带围带叶片的优化设计提供了依据与可借鉴的方法。 本文研究成果为汽轮机叶片动静力特性的研究提供了有效的数值方法，对我国汽轮机自带围带叶片的研制和改型设计有着重要的工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景及意义

1.1.1课题来源

1.1.2课题背景及研究意义

1.2国内外阻尼叶片的研究现状

1.2.1阻尼叶片结构分析模型

1.2.2接触面摩擦模型

1.2.3接触运动学模型

1.2.4干摩擦阻尼叶片响应的求解方法

1.3本文的主要工作和安排

第二章分析阻尼叶片振动特性的集中参数模型与方法

2.1引言

2.2叶片干摩擦阻尼减振机理及接触面摩擦模型

2.2.1叶片干摩擦阻尼减振机理

2.2.2接触面摩擦模型及数学描述

2.3基于集中参数模型的叶片振动分析方法

2.3.1单自由度模型

2.3.2多自由度模型

2.4阻尼叶片固有频率及动态响应计算

2.4.1固有频率和振型计算

2.4.2激振力分析

2.4.3响应计算方法

2.5阻尼叶片振动分析单自由度模型算例

2.6本章小结

第三章阻尼叶片振动特性分析的有限元模型与方法研究

3.1引言

3.2基于有限元模型的叶片振动分析方法

3.2.1有限元法概述

3.2.2叶片有限元动力学方程的建立

3.2.3有限元分析软件ALGOR功能简介

3.3叶片三维实体造型方法研究

3.3.1 NURBS曲面造型技术

3.3.2 NURBS曲线曲面造型的理论基础

3.3.3基于SolidWorks的叶片实体造型

3.4有限元网格划分技术

3.4.1有限元网格划分的指导思想

3.4.2有限元网格划分的基本方法

3.5围带叶片分析的力学模型

3.5.1基本假设

3.5.2整体坐标系与局部坐标系

3.5.3围带接触模型

3.6围带叶片整圈自锁的理论分析

3.6.1整圈连接的围带接触紧度的理论计算方法

3.6.2整圈自锁条件分析

3.7本章小结

第四章国产1029mm叶片静动力特性研究

4.1引言

4.2计算模型及边界条件

4.2.1有限元模型

4.2.2有限元网格划分

4.2.3边界条件

4.3 1029mm叶片静力特性的有限元计算

4.3.1自由叶片扭转恢复角的计算

4.3.2存在约束时的扭转恢复角的计算

4.3.3相关参数对叶片扭转特性的影响

4.4围带接触面紧度的有限元计算

4.5 1029mm叶片动力特性分析

4.5.1单叶片振动分析的有限元模型

4.5.2单叶片静频动频及振型计算

4.6本章小结

第五章阻尼叶片整圈连接的动力特性研究

5.1引言

5.2整圈叶片振动特性分析计算的模型与方法

5.2.1基于循环对称结构的分析模型与方法

5.2.2整体分析模型

5.3整圈连接叶片系统固有特性计算

5.3.1整圈连接叶片的有限元模型

5.3.2边界条件及载荷

5.3.3整圈连接围带叶片固有频率及振型计算

5.4自带围带阻尼叶片动态响应特性研究

5.4.1接触面摩擦模型

5.4.2接触运动的基本计算步骤

5.4.3有限元计算

5.4.4相关参数对阻尼叶片动响应的影响

5.5整圈自锁及最佳初始间隙的确定

5.5.1整圈自锁的有限元计算及验证

5.5.2围带接触面最佳正压力的研究

5.5.3最佳初始间隙的确定

5.6本章小结

结论

参考文献

致谢

附录