舰用燃气轮机非连续转子热致变形及振动特性研究
发布时间：2020-05-31 03:08
【摘要】：根据当代海洋防御的需求,舰船动力装置应具备不惜牺牲部分疲劳寿命来实现最短时间内达到运行工况,以应对处理各种突发事件的能力。这使舰用燃气轮机应具有可靠、快速且大幅度变工况的性能。因此,针对舰用燃气轮机转子在快速启动及变工况过程中承受的热冲击载荷分布、快速启动曲线优化设计、非连续转子瞬态热变形及热致振动等问题的研究是提高舰用燃气轮机可靠性、机动性技术的关键内容之一。根据舰用燃气轮机复杂多变的工作温度环境及非连续的结构特点,本文建立了燃气轮机空间热载荷模型,通过研究非连续转子热—结构耦合机理,分析了具有薄壁和轴向变径结构特点的非连续转子瞬态热致振动特性,并形成燃气轮机快速启动热分析及启动控制曲线优化设计方法。主要研究内容包括:针对舰用燃气轮机内瞬态时变空间的温度分布,基于燃气轮机热力循环理论建立燃气轮机空间热载荷分析模型,结合舰用燃气轮机试验数据确定热载荷分布函数。针对燃气轮机转子连接界面微观形貌特征,提出了轴向和周向变导热系数的等效连接层模型,分析了燃气轮机非连续转子连接界面位置的温度分布规律。研究表明提出的燃气轮机时变空间热载荷模型可以给出燃气轮机不同工况下转子的温度边界,建立的等效连接层模型为分析燃气轮机非连续转子温度分布提供了有效方法,为舰用燃气轮机转子热变形和热致振动特性研究建立基础。针对舰用燃气轮机转子的非连续结构特点,建立非连续转子热-结构耦合分析模型,开展热冲击下转子热-结构耦合机理研究。结合三维热分析模型,研究舰用燃气轮机转子接触界面的温差分布规律;瞬态热冲击作用下,接触参数对转子非连续结构界面连接状态的影响;开展了非连续转子的热变形规律及其影响因素研究。研究表明,非连续结构与热传导之间存在较强的耦合作用,对燃气轮机非连续转子瞬态热传递和热变形影响较大,快速启动的时间对转子启动过程中最大变形量有一定的影响,为舰用燃气轮机非连续转子瞬态热冲击下的热致变形分析提供了有效方法。针对舰用燃气轮机非连续转子瞬态热变形引起的振动问题,提出采用锥形鼓筒转子单元模型,并结合非连续结构间的热载荷分布和等效连接界面刚度的方法,建立了具有热变形特性的非连续转子动力学分析模型,给出了舰用燃气轮机转子热致振动机理。采用转子瞬态响应算法,分析了非连续结构连接载荷、热变形激励及不平衡耦合作用下非连续转子在不同启动过程中的瞬态热致振动特性。研究表明,非连续界面位置及接触参数对转子振动有较大影响,转子热变形的恢复现象能够降低启动过程中转子的瞬态响应,具有周向非均布连接载荷的转子在过临界转速时的响应幅值将升高。基于舰用燃气轮机快速启动过程中涡轮转子结构在热冲击载荷作用下承受较大的瞬态热应力问题,结合转子结构热分析,提出快速启动温升控制曲线多变量优化设计方法,有效降低了快速启动过程中的最大瞬态热应力。为验证转子热分析模型及优化设计方法,设计并搭建了模化涡轮转子热冲击应力分析试验台,试验结果与理论分析吻合较好,优化效果明显。优化结果表明,提出的多变量快速启动优化设计方法可以实现降低涡轮转子启动过程最大热应力或缩短启动时间,为制定舰用燃气轮机快速启动设计方法提供借鉴。
【图文】：
哈尔滨工业大学工学博士学位论文- 26 -图2-19 燃气轮机涡轮出口温度测点布置图Fig. 2-19 The temperature test positions at the outlet of naval gas turbine某舰用燃气轮机试验中在涡轮出口位置的周向均匀布置了 16 个温度传感器，以测量燃气轮机流道内周向温度分布，各测点对应位置如图 2-19 所示。在分析燃气轮机周向非均布热载荷分布时，选取各测点温度的平均值为参考值：16116 iiiaTT (2-13)定义各测点温度相对于平均温度的偏差为： i adiaT TTT(2-14)2.3.2.1 稳定工况下的周向热载荷在舰用燃气轮机慢车至满工况之间的不同工作点，燃气轮机各部件稳定正常工作，，燃气轮机周向温差较小，各测点温度在均值附近。图2-20 慢车工况涡轮出口周向温度变化Fig. 2-20 The variation of circumferent
对流换热接触图3-11 螺栓连接结构接触及边界条件Fig.3-11 Schematic for contact of boltedconnection and its boundary condition图3-12 有限元模型与几何模型Fig.3-12 Geometry and mesh of boltedconnection螺栓连接结构为周期性对称结构，各级轮盘周向均布了若干个紧固螺栓，为提高分析效率，选取模型的其中一个扇区来进行分析，具体如图 3-12 所示。下面将分析舰用燃气轮机快速启动时转子转速从 0 升至满工况转速的过程中螺栓结构的温度分布和结构变形情况。根据燃气轮机空间热载荷模型分析结果，在快速启动过程中，非连续转子的温度边界可以通过式(2-10)给出，螺栓连接结构分析模型采用式(3-15)形式的温度边界。3.3.2 快速启动热冲击下非连续转子热分析3.3.2.1 热冲击下非连续转子温度分布研究非连续转子快速启动过程中，影响温度分布的主要因素是轮盘与法兰连接的接触热阻，需要首先考察启动过程中接触表面的温度以及温差分布。图 3-13 分别给出了接触表面某点温度随时间变化以及接触表面温差随时
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.703.2
本文编号：2689182
【图文】：
哈尔滨工业大学工学博士学位论文- 26 -图2-19 燃气轮机涡轮出口温度测点布置图Fig. 2-19 The temperature test positions at the outlet of naval gas turbine某舰用燃气轮机试验中在涡轮出口位置的周向均匀布置了 16 个温度传感器，以测量燃气轮机流道内周向温度分布，各测点对应位置如图 2-19 所示。在分析燃气轮机周向非均布热载荷分布时，选取各测点温度的平均值为参考值：16116 iiiaTT (2-13)定义各测点温度相对于平均温度的偏差为： i adiaT TTT(2-14)2.3.2.1 稳定工况下的周向热载荷在舰用燃气轮机慢车至满工况之间的不同工作点，燃气轮机各部件稳定正常工作，，燃气轮机周向温差较小，各测点温度在均值附近。图2-20 慢车工况涡轮出口周向温度变化Fig. 2-20 The variation of circumferent
对流换热接触图3-11 螺栓连接结构接触及边界条件Fig.3-11 Schematic for contact of boltedconnection and its boundary condition图3-12 有限元模型与几何模型Fig.3-12 Geometry and mesh of boltedconnection螺栓连接结构为周期性对称结构，各级轮盘周向均布了若干个紧固螺栓，为提高分析效率，选取模型的其中一个扇区来进行分析，具体如图 3-12 所示。下面将分析舰用燃气轮机快速启动时转子转速从 0 升至满工况转速的过程中螺栓结构的温度分布和结构变形情况。根据燃气轮机空间热载荷模型分析结果，在快速启动过程中，非连续转子的温度边界可以通过式(2-10)给出，螺栓连接结构分析模型采用式(3-15)形式的温度边界。3.3.2 快速启动热冲击下非连续转子热分析3.3.2.1 热冲击下非连续转子温度分布研究非连续转子快速启动过程中，影响温度分布的主要因素是轮盘与法兰连接的接触热阻，需要首先考察启动过程中接触表面的温度以及温差分布。图 3-13 分别给出了接触表面某点温度随时间变化以及接触表面温差随时
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本文编号：2689182
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