重型燃气轮机压气机叶片可靠性分析

发布时间：2017-09-26 12:34

  本文关键词：重型燃气轮机压气机叶片可靠性分析

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【摘要】：20世纪60年代起,军用舰船动力系统开始燃机化。燃气轮机也以良好的经济性被逐渐使用在各种发电装置中。航空领域的动力系统更是燃气轮机的天下。长期以来,燃气轮机的设计、加工制造及检测等关键技术一直被西方发达国家垄断,我国对燃气轮机的研究起步较晚,技术基础薄弱。在燃气轮机动力系统中,在空气进入涡轮膨胀做工前,压气机将空气进行预压缩,提高气体的总压(即滞止压力),以便之后空气与燃料的混合、燃烧,进一步变成高压、高温的燃气。对压气机的要求是尺寸小、质量小、增压比大、效率高,这就意味着压气机的迎风面积小,级数要少。而且,在这个要求下,工作轮叶栅通道内往往会出现激波,叶背位置的气流也往往会出现失速分离的现象。因此,压气机叶片工作环境比较恶劣,设计难度较大,是压气机中的核心功能部件。为保证燃气轮机压气机工作的安全、高效,确保压气机叶片等关键器件的工作能力是十分必要的。本文以压气机第三级动叶叶片为研究对象,首先进行基于梁单元的压气机动叶叶片建模。根据叶片的三维实体模型,提取叶型形状,获得叶型的几何参数(面积、型心、惯性矩、主惯性轴等)及截面系数,并采用弹性力学的位移解法和应力解法考虑了叶片的扭转问题。基于弹性力学的相关理论,给出叶片的平衡方程、几何方程以及物理方程及其边界条件。其次,根据建立的压气机动叶叶片模型,确定弹性模量、剪切弹性模量、密度、安装值及叶高为可变参数,每次变化100组数据,对叶片叶身强度进行了计算。通过计算各叶身截面处离心力、离心弯矩,气动力、气动弯矩,最终得到沿叶片高度方向14个截面进汽出汽叶背三处位置的总应力。基于能量法求得单个叶片A0型振动频率。根据达朗贝尔原理,将频率问题转化为解特征值问题,采用梁单元进行了叶片的振动计算,获得叶片的前6阶动频。并计算了叶片材料的疲劳极限强度。再次,基于Monte-Carlo法进行了叶片强度、振动和疲劳可靠性计算,并与基于应力-强度干涉法的强度、振动和疲劳可靠性计算结果进行了对比,给出了两种计算方法的相对误差。最后,采用商业有限元软件计算了带有裂纹的叶片模型的裂纹扩展应力,并进行了叶片裂纹扩展分析,对叶片断裂问题可靠性进行了分析。
【关键词】：动叶叶片 强度 振动 疲劳 可靠性 裂纹
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK473
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义8
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析8-13
• 1.2.1 国外研究现状8-11
• 1.2.2 国内研究现状11-13
• 1.3 国内外文献综述简析13-14
• 1.4 本文的主要研究内容14-15
• 第2章 叶片特性计算理论15-44
• 2.1 引言15
• 2.2 叶片模型建立15
• 2.3 叶片特性计算公式推导15-43
• 2.3.1 叶型几何参数求解15-16
• 2.3.2 平衡(运动)方程、几何方程和物理方程的建立16-25
• 2.3.3 力和力矩25-28
• 2.3.4 不计自然扭转影响的应力及位移分析28-29
• 2.3.5 自然扭转对叶身应力及位移的影响29-33
• 2.3.6 剪切变形问题求解的基本方程33-38
• 2.3.7 叶片动频的求解方法38-41
• 2.3.8 叶片疲劳强度的求解方法41-43
• 2.4 叶片失效判定准则43
• 2.5 本章小结43-44
• 第3章 叶片的强度特性、振动特性和疲劳特性计算44-52
• 3.1 引言44
• 3.2 强度特性44-49
• 3.2.1 弹性模量对强度特性的影响44-46
• 3.2.2 剪切弹性模量对强度特性的影响46-47
• 3.2.3 密度对强度特性的影响47
• 3.2.4 安装值对强度特性的影响47-49
• 3.2.5 叶高对强度特性的影响49
• 3.3 振动特性49-50
• 3.4 疲劳特性50-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第4章 基于Monte-Carlo法的强度、振动和疲劳可靠性计算52-62
• 4.1 引言52-56
• 4.1.1 Monte-Carlo计算方法52-55
• 4.1.2 应力—强度干涉模型简介55-56
• 4.2 强度可靠性56-57
• 4.3 振动可靠性57-58
• 4.4 疲劳可靠性58-59
• 4.5 Monte-Carlo法试验次数无关性验证59-60
• 4.6 Monte-Carlo法与应力-强度干涉法结果比较60-61
• 4.7 本章小结61-62
• 第5章 叶片断裂问题可靠性分析62-85
• 5.1 ABAQUS软件求解裂纹问题方法介绍62-65
• 5.2 XFEM方法原理介绍65-71
• 5.3 叶片裂纹损伤二维模型71-78
• 5.3.1 叶片及初始裂纹几何模型71-73
• 5.3.2 叶片及裂纹属性设置73-75
• 5.3.3 收敛及输出设定75-77
• 5.3.4 边界条件确定77-78
• 5.4 叶片裂纹扩展及应力计算结果78-83
• 5.5 叶片断裂问题可靠性分析83-84
• 5.6 本章小结84-85
• 结论85-86
• 参考文献86-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果89-91
• 致谢91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 王全忠,安宁,李军;汽轮机叶片的静动应力分析及高低周疲劳寿命估算[J];山西电力技术;1998年02期

2 乐晓斌,高德平,何明鉴;压气机叶片疲劳可靠度及寿命的预测方法[J];航空动力学报;1995年02期

3 李克安;林左鸣;杨胜群;李松华;万正苏;;航空发动机转子叶片振动方程及其频率计算[J];航空学报;2013年12期

4 段巍;王璋奇;万书亭;;基于BP神经网络和分解技术的汽轮机叶片可靠性反求设计[J];热能动力工程;2009年05期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 叶南海;机械疲劳寿命预测与可靠性设计关键技术研究[D];湖南大学;2012年

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本文编号：923572