负载波动下组合转子拉杆螺栓自松驰问题研究

摘要

作为现代燃气轮机的核心部件，拉杆组合转子的性能退化研究对于保障整机的安全可靠运行是十分必要的。拉杆组合转子由拉杆螺栓预紧组合而成，因此，组合转子的性能退化与拉杆螺栓的联接可靠性息息相关。拉杆螺栓的自松弛现象是影响联接可靠性的主要原因之一，而交变横向载荷是引起自松弛问题的关键因素。因此，本文针对交变横向载荷下拉杆螺栓的自松弛问题，进行相关研究，具体内容如下:
　　首先，根据燃气轮机在运行中出现负载波动的实际情况，分析了组合转子中拉杆螺栓的载荷变化规律，发现拉杆螺栓在运行中受到的横向载荷也会出现交变，尤其在转速变化时所受横向载荷会发生突变。随后，分析了交变横向载荷对拉杆螺栓力学行为的影响，确定交变横向载荷是拉杆螺栓自松弛的关键因素。
　　其次，运用ANSYS软件参数化建立拉杆螺栓螺纹三维有限元模型，基于该模型进行拉杆螺栓纯预紧模拟，得到螺纹负载分布及接触应力分布，验证了模型的合理性。并发现拉杆螺栓在服役运行中性能退化的脆弱部位为螺栓的第一节螺纹处及螺母支承面。
　　再次，在交变横向载荷下，基于拉杆螺栓模型，结合多种不同的工作情况，分析拉杆螺栓预紧力变化、螺母旋松退绕、啮合螺纹之间接触应力变化及微滑移累积状况，从宏观和微观的角度，全面分析交变横向载荷作用下拉杆螺栓的自松弛问题。并分析横向微动位移与横向剪切力的关系变化，得到了拉杆螺栓自松弛规律的直观描述。
　　最后，通过实验研究交变横向载荷下螺栓联接的预紧力变化及螺母旋松累积，验证了有限元分析所得规律的正确性。
　　以上研究结论一方面发展了组合转子拉杆螺栓的建模方法;另一方面对组合转子的优化设计、可靠性分析、以及性能退化监测具有一定的价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景

1．3 组合转子及其性能退化研究

1．4 拉杆螺栓联接研究现状

1．4．1 拉杆螺栓的力学行为研究

1．4．2 拉杆螺栓的自松弛问题研究

1．5 本文的研究目的、意义与主要内容

1．5．1 本文的研究目的和意义

1．5．2 主要研究内容

1．5．3 全文逻辑结构

2 燃气轮机负载波动下拉杆螺栓载荷变化规律

2．1 燃气轮机转子结构特点

2．2 燃气轮机负载波动特性

2．3 负载波动下拉杆螺栓横向载荷变化

2．4 本章小结

3 交变横向载荷下拉杆螺栓自松弛初步分析

3．1 交变横向载荷对拉杆螺栓的力学影响

3．2 交变横向载荷下拉杆螺栓自松弛累积进程

3．3 交变横向载荷下拉杆螺栓的摩擦松动分析

3．4 本章小结

4 拉杆螺栓建模及纯预紧模拟验证

4．1 ANSYS参数化建模特点

4．2 拉杆螺栓实体模型的建立

4．2．1 几何参数确定

4．2．2 实体模型的建立

4．3 有限元模拟条件设置

4．4 拉杆螺栓纯预紧模拟验证

4．4．1 拉杆螺纹负载分布对比验证

4．4．2 拉杆螺栓等效应力及螺母支承面接触应力分析

4．5 本章小结

5 交变横向载荷下拉杆螺栓自松弛有限元分析

5．1 工况载荷设置

5．2 拉杆螺栓预紧力及螺母旋转松动分析

5．2．1 拉杆螺栓预紧力随交变横向载荷变化

5．2．2 螺母旋转松动量随交变横向载荷变化

5．2．3 摩擦系数对预紧力影响分析

5．3 拉杆螺栓接触应力分析

5．3．1 前半节啮合螺纹接触应力随交变载荷的变化

5．3．2 前半节圆弧在首个循环周期的接触应力分布

5．4 啮合螺纹之间的微量滑移分析

5．4．1 首节啮合螺纹微量滑移分析

5．4．2 各节啮合螺纹的最大滑移量

5．5 横向微动载荷与横向力的关系分析

5．6 本章小结

6 螺栓自松弛实验研究

6．1 实验目的

6．2 实验设备

6．3 实验原理

6．4 实验方案

6．5 实验结果与分析

6．6 本章小结

7 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢