重型燃气轮机气缸动力学建模方法研究

发布时间：2020-07-22 02:07

【摘要】：燃气轮机技术被誉为先进制造业“王冠上的明珠”,是一个国家科技水平和综合国力的重要标志之一。燃机整机以及转子动力学建模分析是重型燃机设计中的关键技术之一,燃机气缸作为燃机主体结构为转子提供支撑,其动力学特性及其与转子耦合动力学特性分析是燃机动力学设计的重要内容。由于重型燃机气缸结构复杂、连接界面多,要实现统一、快速、有效的动力学建模,难度较大。本论文针对燃机动力学设计中面临的实际问题和需求,结合典型重型燃气轮机气缸结构,重点研究燃机气缸动力学建模方法,为燃机动力学设计提供支撑。论文的主要工作如下:针对某重型燃机气缸复杂结构,基于模态频率和振型近似的原则,具体针对气缸压气机轴承支座、静叶持环和燃烧室进行简化,有效获得燃机气缸简化模型;针对简化模型,提出基于模化前后气缸质量、刚度和极转动惯量保持一致的模化方法,将复杂气缸结构模化成若干圆环结构,通过模态分析验证其可行性,为燃机转子动力学快速动力学建模与优化设计,提供了有效手段。针对气缸中分面和气缸之间的界面螺栓连接,提出两种模拟螺栓连接的结合面建模方法。首先方法采用螺栓结构有限元建模模拟实际螺栓连接,通过理论和试验结果的对比验证了其有效性;针对采用实体螺栓建模进行整体动力学分析的局限性,继而提出了等效结合面的动力学建模方法,考虑了结合面法向与切向特征的相互作用,采用赫兹接触理论和分形理论推导出一组等效弹性模量、泊松比和密度等力学参数的解析解。采用有限元结构动力学建模方法,利用获得的等效力学参数,建立含等效结合面的气缸动力学模型,通过模态求解验证了两种方法的一致性。针对实际某型燃机燃烧室气缸,加工了缩比试验件,试验研究了中分面法兰螺栓预紧力对气缸模态频率和振型的影响,通过与所建动力学模型的模态分析结果对比,验证了所提出的建模方法的有效性。利用所提出的方法分析研究了螺栓预紧力和摩擦系数对气缸整体结构模态的影响规律。基于所提出的气缸建模方法,建立了包括压气机支撑、透平支撑、压气机轴承以及透平轴承在内的整机有限元模型;探究了预紧力大小对气缸轴承处动刚度的影响规律;建立了燃机转子动力学模型,分析了气缸动刚度对转子动力学特性的影响。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK471
【图文】：

结构图,燃气轮机,实物,结构图

（b）燃气轮机三个主要缸体结构图图 1- 1 燃气轮机实物结构图Fig.1-1 Structure of The Gas Turbine 国内外研究现状螺栓结合面动力学建模研究现状燃机气缸各部件之间的螺栓数目众多，如果用实体螺栓连接，从建模角度考作量巨大，仿真分析角度考虑占用资源过多，且分析周期较长，需要大量的物力。所以探究出一种代替实体螺栓连接的方法显得尤为必要。研究螺栓连构接触面的目的主要是：研究出一种考虑连接面之间的接触刚度和阻尼的方以保证气缸结构的完整性；分析螺栓预紧力对燃机气缸和转子系统动力学行影响。因此如何处理这些螺栓连接结构接触面是燃机气缸结构和转子动力学

静叶,压气机,三维模型

压气机静叶持环原始模型图 (b) 压气机静叶持环简化模型图图 2- 1 压气机静叶持环三维模型Fig. 2-1 3D model of compressor blade carrier仿真的精确度很大程度取决于网格的划分精确程度，比如网格类型都对仿真结果有着巨大的影响。考虑到本章分析的是如何保证简化前后的模型在网格尺寸和网格类型上保持一致即可章采用一阶四面体单元 Solid185，网格尺寸均为 50mm。图环有限元模型。

静叶,压气机,有限元模型

(a) 压气机静叶持环原始模型图 (b) 压气机静叶持环简化模型图 2- 1 压气机静叶持环三维模型Fig. 2-1 3D model of compressor blade carrier划分限元仿真的精确度很大程度取决于网格的划分精确程度，比如网单元类型都对仿真结果有着巨大的影响。考虑到本章分析的是如要保证简化前后的模型在网格尺寸和网格类型上保持一致即，本章采用一阶四面体单元 Solid185，网格尺寸均为 50mm。图叶持环有限元模型。

【参考文献】