涡轮叶片的三维弹性应力分析

摘要

涡轮叶片是燃气轮机十分重要的零部件，承受着复杂的循环热载荷及机械载荷，为了保证发动机在服役期间的稳定性和可靠性，迫切需要对涡轮叶片的强度进行计算，并对其寿命加以预测和控制。本文围绕涡轮叶片开展其强度研究工作。 首先，在商用有限元软件ANSYS环境中建立了涡轮叶片的三维有限元应力分析模型。针对涡轮叶片不同位移边界条件的选取，进行了比较，选取了合适的边界条件，将位移边界条件施加在涡轮叶片的最下面一对榫齿面上，其余榫齿表面施加力边界条件。然后，对涡轮叶片在离心载荷和热载荷等多种载荷作用下，进行了热弹塑性应力(应变)计算。得到叶片在离心载荷及热负荷的联合作用下的应力分布情况：高应力区存在于叶身根部区域：叶片的最大应力值位于前缘叶身与缘板连接处气膜孔处；气膜孔处的等效应力值比相同半径下无孔部位的应力值要高；气膜孔对叶片应力水平的影响随着叶片半径的减小、叶片应力水平的增高而逐渐增大。 本文还对过盈配合状态下的榫头、榫槽进行了接触应力分析，结果显示涡轮榫齿、榫槽处的应力水平较高。随着榫头、榫槽间过盈量的增大，榫头和榫槽接触面的接触应力逐渐增大，过盈量增大到一定程度时，榫槽和榫头最大应力会逐渐接近和超过其屈服极限，产生塑性变形。因此，应该合理选取过盈量，并将过盈配合纳入强度计算进行综合分析，使过盈配合既保证榫头、榫槽间有足够的摩擦力，保证榫头、榫槽不会相互脱离，又要保证满足结构强度的要求，并使其产生的不良影响减至最小。 通过对涡轮叶片的应力分析的理论研究和数值计算，阐述了涡轮转子叶片弹性分析的研究方法。本方法的适应性较强，它可以计算燃气轮机、风机、汽轮机等多种动力装置的叶片强度。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2涡轮转子叶片强度分析的意义

1.3叶片应力的分析方法

1.4国内外叶片应力分析的研究现状

1.4.1国外叶片应力分析的研究现状

1.4.2国内叶片应力分析的研究现状

1.5本文的主要内容和创新点

1.5.1本文的主要内容

1.5.2本文的创新点

2涡轮叶片的三维有限元分析

2.1有限元分析基本理论

2.1.1有限元法的思想

2.1.2有限元法求解过程

2.2涡轮叶片的有限元应力分析原理

2.2.1几何方程

2.2.2本构方程

2.2.3单元的形函数

2.2.4单元刚度矩阵和总体刚度矩阵

2.2.5变分公式

2.2.6等效节点载荷

2.2.7温度场

2.2.8节点位移与应力计算

2.3本章小结

3涡轮叶片的应力计算与分析

3.1涡轮叶片有限元模型的建立

3.1.1实体模型的建立

3.1.2 ANSYS与UG的接口

3.1.3单元类型的选择

3.1.4网格划分

3.2涡轮叶片的材料参数

3.3计算载荷

3.3.1离心载荷

3.3.2温度载荷

3.3.3气动载荷

3.4边界条件

3.5计算结果及分析

3.6本章小结

4榫头和榫槽的接触分析

4.1引言

4.2接触问题的基本理论

4.2.1接触问题及其基本假定

4.2.2接触状态分类

4.2.3增量法求解接触问题

4.3 ANSYS软件中接触问题的分析方法

4.3.1 ANSYS中的接触类型和接触方式

4.3.2 ANSYS的接触求解技术

4.3.3 ANSYS的接触分析步骤

4.4榫齿榫槽接触分析

4.4.1接触分析问题模型的建立

4.4.2材料参数

4.4.3计算载荷与边界条件

4.4.4计算结果与分析

4.4.5接触应力对叶身强度分析的影响

4.5小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

5.2.1本课题尚需完善和改进的工作

5.2.2涡轮叶片强度分析及相关研究方向需进一步研究的课题

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢