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大连理工大学硕士学位论文 摘要 端轴颈和轮盘是高压涡轮转子系统的关键部件，承受着复杂的循环热载荷及机械载 荷，为了保证端轴颈和轮盘在使用期间的稳定性和可靠性，迫切需要对端轴颈和轮盘的 静强度进行计算，并对其进行疲劳破坏分析。本文基于某项目的需要，对高压涡轮转子 系统中的端轴颈和轮盘进行了静强度和疲劳可靠性研究。 首先，根据厂方提供的模型图纸，使用p r o e 软件对此高压涡轮转子系统的实体 模型进行绘制，包括高压涡轮叶片、涡轮轮盘、端轴颈及其连接件。由于模型的形状不 规则，对其进行有限元网格划分容易出现包含奇异角的单元，这样会导致在计算过程中 产生刚度矩阵奇异。为了能够顺利进行有限元计算并且不会造成计算结果不准确，本文 对模型进行了适当的调整，以期能得到更好的有限元分析模型。 然后，在m a r c 软件环境中，对高压涡轮转子系统的端轴颈和轮盘部件进行有限 元计算。基于热弹塑性有限元和接触非线性有限元分析理论，对各个工作状态下的端轴 颈和轮盘进行了受力分析、找出疲劳断裂危险点以及静强度校核。并且在修改了初始条 件后对端轴颈和轮盘的危险点的应力应变温度情况进行了记录，为以后的可靠性分析做 准备。 最后，通过前述应力( 应变) 的分析计算结果和材料的疲劳特性，选用s n 曲线法对 该高压涡轮转子系统进行了静强度和疲劳可靠度的计算。 通过对此高压涡轮转子系统的强度计算和疲劳可靠性分析，得出的计算结果和提出 的研究方法为提高端轴颈和轮盘的可靠性和延长工作寿命提供了一定的参考价值。 关键词：端轴颈；轮盘；有限元；静强度；疲劳：可靠性 某高压涡轮转子系统静强度及疲劳可靠性分析 a n a l y s i so f s t a t i cs t r e n g t ha n df a t i g u er e l i a b i l i t yo fh i g h p r e s s u r e t u r b i n er o t o rs y s t e m a b s t r a c t t h ee n d j o u r n a la n dt u r b i n ed i s cw h i c ha r et h ek e yc o m p o n e n t so fh i g h - p r e s s u r et u r b i n e r o t o rs y s t e mw o r ku n d e rt h ea b o m i n a b l ec o n d i t i o n so fh i g hc y c l i c t e m p e r a t u r ea n d m e c h a n i c a ll o a d s i no r d e rt oa l s u r et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ee n dj o u r n a la n dt u r b i n e d i s cw h e nt 1 1 e ya r ei ns e r v i c e ，a l la c c u r a t ea n a l y s i so ft h es m i l es t r e n g t ha n df a t i g u er e l i a b i l i t y i sn e e d e di nd e s i g n t h i st h e s i ss t u d i e st h er e l i a b i l i t yo ft h es m i l ea n df a t i g u es t r e n g t h so ft h e e n dj o u r n a la n dt u r b i n ed i s co fah i g h - p r e s s u r et u r b i n er o t o rs y s t e ma n do b t a i n sas a t i s f y i n g r e s u l to ft h es t a t i cs t r e n g t ha n df a t i g u er e l i a b i l i t y f i r s t l y , w es e tu pt h es o l i dm o d e lo ft h eh i g h - p r e s s u r et u r b i n er o t o rs y s t e mb yp r o - e s o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h eh i g h - p r e s s u r et u r b i n eb l a d e s ，t h et u r b i n ed i s c ，t h ee n dj o u r n a la n dt h e c o n n e c t o r s a sar e s u l to ft h ei r r e g u l a rs h a p eo ft h et u r b i n er o t o rs y s t e m , t h ee l e m e n t s c o n t a i n i n gt h es i n g u l a ra n g l eu n i ta r eg e n e r a t e de a s i l yw h e nd o i n gf i n i t ee l e m e n t sm e s h t h i s w i l ll e a dt ot h es i n g u l a rs t i f f n e s sm a t r i xi nt h ep r o c e s so fc a l c u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h em o d e l h a sb e e na d j u s t e da p p r o p r i a t e l yi no r d e rt om a k es u r et h a tt h ef i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i si sg o i n g w e l l ， s e c o n d l y ，m a r cs o f t w a r ei se m p l o y e dt od of i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o no nt h ee n d j o = m la n dt u r b i n e d i s co fh i g h - p r e s s u r et u r b i n er o t o rs y s t e m b a s e do nt h et h e r m a l e l a s t i c - # a s t i cf i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dn o n - l i n e a rc o n t a c tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st h e o r y ，t h e m e c h a n i c a la n a l y s i si sc a r r i e do u tf o rt h ee n dj o u r n a la n dt u r b i n ed i s ci na l lw o r k i n gs t a t e s a n dt h e & a n g e r o u sf a t i g u er u p t u r ep o i n t sa l ef o u n d i na d d i t i o n , t h es t a t e so fs t r e s s ，s t r a i na n d t e m p e r a t u r eo f t h ed a n g e r o u sp o i n t sa r er e c o r d e da n dp r e p a r e df o rt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i s f i n a l l y , d e p e n d i n go nt h es t r e s s - s t r a i na n a l y s i sr e s u l t s a n dt h em a t e r i a l sf a t i g u e c h a r a c t e r i s t i c s ，w es e l e c ts - ng b i v em e t h o df o rt h ec a l c u l a t i o no ft h es m i l es t r e n g t ha n d f a t i g u er e l i a b i l i t yo f h i g h - p r e s s u r et u r b i n er o t o rs y s t e m t h r o u g h t h ea n a l y s i so ft h es m i l es t r e n g t ha n df a t i g u er e l i a b i l i t yo fh i g h - p r e s s u r et u r b i n e r o t o rs y s t e m ，t h i st h e s i sp r o v i d e sar e f e r e n c et oi m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t ya n dp r o l o n g i n gt h e f a t i g u el i r eo ft h ee n dj o u r n a la n d t u r b i n ed i s c k e yw o r d s ：e n dj o b r n a l ；t u r b i n ed i s c ；f i n i t ee l e m e n t ；s m i l es t r e n g t h ；f a t i g u e ；r e l i a b i l i t y i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。+ 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：基塑亟塑童歪堑壹鲎望塑童幽：丝兰蜇 作者签名：薹墓日期：2 1 艺年l 月查日 导师签名： 日期：丝1 2 年 月i 三日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 涡轮是将高温高压燃气流的能量转换为机械能的一种叶片机，又称燃气透平，分为 径向涡轮和轴向涡轮两类。燃气涡轮发动机多数采用轴向涡轮，因此，单独称“涡轮 时 一般即指“轴向涡轮 ，它由静子和转子两部分组成。排静子叶片和一排转子叶片组 成一级涡轮。静子又称导向器，转子又称工作轮。导向器叶片与大多数的转子叶片所组 成的气流通道均是收敛形的，高温高压燃气首先进入导向器中膨胀加速，以接近或略大 于当地音速的速度冲向转子叶片，使工作轮转动；燃气在转子叶片的收敛通道中继续膨 胀，又给工作轮以驱动力，使工作轮高速旋转并输出功率，这种涡轮称为反力式涡轮。 在少数燃气涡轮中，工作轮的叶片通道只使燃气改变流动方向而不膨胀加速，工作轮完 全是由导向器流出的高速燃气所驱动，这种涡轮称为冲击式涡轮。 1 2 研究背景 机械系统所承受的应力状态较复杂，疲劳破坏是机械零件的主要的失效形式之一【i 】， 据统计8 0 的零件的失效都是疲劳破坏【2 】，因此对疲劳问题的研究受到广泛的重视。涡 轮被誉为工业设备的“心脏 ，随着工业的不断发展，对涡轮性能要求也不断提高，使 得涡轮温度和转速均不断提高，导致涡轮各部件的疲劳失效问题越来越突出。在实际工 作中由于经常起动、停车以及其他条件的影响，涡轮各部件承受复杂的循环载荷作用， 使得涡轮各部件产生各种形式的失效破坏，特别是疲劳破坏，对涡轮的安全工作造成极 大的威胁。因此，在涡轮系统的设计和研制中，除了努力提高其性能外，也开始日益重 视对其强度和疲劳可靠性的研究。 端轴颈和轮盘是涡轮系统的主要部件，它们在高温、高转速下工作，所承受的工作 环境和载荷情况十分复杂，一旦发生故障将导致极其严重的后果。可以说，他们的寿命 和可靠性制约着整个系统寿命和可靠性，因此，必须对主要部件的可靠性有充分的研究 和认识，才能解决整个系统的可靠性评估问题。 1 3 机械结构可靠性概况 1 8 2 9 年，德国采矿工程师阿尔倍特做了铁链的重复载荷试验，第一个提出了疲劳问 题。1 8 3 9 年，波克来特首先使用“疲劳 一词来描述“在反复施加的载荷作用下的结构 破坏。1 8 4 5 年，勃累士畏特首先以“疲劳为题目发表论文【3 1 。1 9 4 6 年，f r e u e n t h a l 某高压涡轮转子系统静强度及疲劳可靠性分析 在国际上发表“结构的安全度一文【4 】以来，可靠性问题开始引起学术界和工程界的普 遍关注与重视。 从上世纪6 0 年代开始，e b s t u l e n ，d k e e e i n g l u 和a m f r e u d e n t h a l 将应力一强度干 涉模型用于疲劳强度的可靠性设计中。1 9 7 1 年，a m f r e u d e n t h a l 提出了构件强度可靠 性设计的应力一强度干涉模型，利用此模型可以进行构件可靠性设计。d k e e e i n g k i ， e b h a u g e n 等人提出一整套基于干涉模型的疲劳强度可靠性设计方法，并在工程中得到 广泛应用。在1 9 8 0 年，e b h a u g e n 出版了比较全面概率机械设计专著。 早先的疲劳分析常将作用在构件的工作应力和构件所用的材料性能视为确定的数 值，但是只用荷载和材料性能的平均值进行疲劳分析，往往会造成构件在预定的使用期 间内失效。这是因为构件实际所受到的外部荷载不仅随工作状况的改变而改变，而且还 受到偶然因素的影响。因此，后来的疲劳分析中都把疲劳荷载当作随机变量来处理。 我国从8 0 年代开始重视机械可靠性的研究。在进行机械零件的概率可靠性设计时， 强度分布的确定是非常重要的。强度数据的获得需要投入大量的人力、财力和物力，对 这项基础性的工作各国都非常重视，我国投入了大量人力和经费，花费了几年的时间， 获得了一批珍贵的疲劳试验数据，并经统计处理后给出了统计的参数供设计时使用【4 】。 结构可靠性用于评估结构在不确定性因素下的安全性能。不确定性按照不确定因素 的产生机理和物理意义的不同分为三类【5 7 】： ( 1 ) 随机性它是由于事件发生的条件不充分，使得在条件与结果之间不能出现必然的因 果关系，从而事件的出现与否表现出不确定性。解决随机性的数学手段是统计数学，包 括概率论、数理统计和随机过程理论； ( 2 ) 模糊性模糊性是指事物本身的概念不清楚，本质上没有确切的定义，在量上没有确 定界限的一种客观属性。研究和处理模糊性的数学方法主要是模糊数学； ( 3 ) 未确知性未确知性是指由于信息、数据的不全面、不完整而导致的不确定性。 随机可靠性理论研究最久、发展最为成熟，应用也最为广泛，以分析随机变量的概 率密度函数为基础。在该类问题中，把不确定因素当作随机变量或随机过程【8 。9 】来处理。 机械结构参数的随机性主要体现在以下几个方面【1 0 d 1 】： ( 1 ) 载荷由于各种偶然因素和工作环境的复杂性等因素使得作用于机械结构的工作载 荷具有随机性； ( 2 ) 材料参数由于制造环境、技术条件、材料的多相特征等因素的影响，使得工程材料 的弹性模量、泊松比、质量以及密度等具有随机性： 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 几何尺寸由于制造和安装技术的偏差等因素所导致的机械结构的几何尺寸如杆、梁 的横截面积等具有随机性； ( 4 ) 边界条件边界条件的随机性来源于实际问题的复杂性、边界条件变化的不可预知 性、人类认识局限性以及对机械结构边界处的简化等； ( 5 ) 计算模型计算模型的随机性是由于机械结构的数学模型假定的不精确以及在建模 过程中不适当的假设而引起的。 1 4 研究内容与思路 本文以某高压涡轮转子系统为研究对象，运用有限元计算软件对该转子系统中的端 轴颈和轮盘进行计算。计算过程包括对转子系统从启动到正常工作转速下的计算分析以 及在改变材料性能参数、边界条件、离心载荷情况下的再计算分析，最后针对端轴颈和 轮盘的危险部位处的最大应力应变的变化情况，结合相关可靠性理论及方法，对其进行 静强度及疲劳可靠性分析。 具体思路如下： ( 1 ) 根据厂方图纸使用p r o e 软件对某高压涡轮转子系统的实体模型进行绘制，包括高 压涡轮叶片、涡轮轮盘、端轴颈及其连接件。 ( 2 ) 应用m s c m a r c 软件对整个系统进行有限元计算分析，研究在各种工况下各部件的受 力情况，尤其注意发生塑性变形区域内的应力应变情况。 ( 3 ) 改变系统中的各部件的材料性能参数、载荷，进行再计算。 ( 4 ) 利用相关可靠性分析理论及方法，对所计算出的数据结果进行可靠性分析。 某高压涡轮转子系统静强度及疲劳可靠性分析 2 有限元法概述 2 1 有限元法基本原理【1 2 】 有限元法【1 3 】是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元在有限个节点上相 连接，亦即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体。由于有限单元 的分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件。 单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元。节点一般都 在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合 体。在此基础上，对每一个单元假设一个简单的位移函数来近似模拟其位移分布规律， 通过虚位移原理求得每个单元的平衡方程，就可建立整个物体的平衡方程。考虑边界条 件后解此方程组求得节点位移，并计算出各单元应力。对不同的结构，要采用不同的单 元，但各种单元的分析方法又是一致。 为了建立起最终应力状态和最终应变状态之间的关系，工程上一般多采用弹塑性理 论的增量理论【1 4 】建立有限元方程。因此，这里仅对有限元法中的三维弹塑性问题的有限 元法进行简单介绍。 设应力矢量为 盯 ，屈服面为： f ( 【盯】，k ) = 0( 2 1 ) 式中k 与塑性应变有关，对于硬化材料，k 等于产生塑性变形过程中所做的塑性功。当 应力从 盯】变为p + 拈】时，塑性应变从 0 变为【岛】“d 】，同时k 值也从k 变为 k + d 1 【，则新的屈服面为： f ( 盯】+ 【d 盯】，七+ d k ) = 0( 2 2 ) 用( 2 2 ) 与式( 2 一1 ) 相减，得： d f = f ( 仃】+ d 仃】，k + 锨) 一f ( 仃】，七) = 0( 2 3 ) 由全微分法则可得： 等0 + 篆出= oao k 一4 一 ( 2 4 ) 大连理工大学硕士学位论文 对于理想塑性情况，筹= 0 o k 应力增量与应变增量的关系为： d o 】= ( d 】一 d p ) 【d 占】= d 】印p s 】 ( 2 5 ) 式中： d 印= 【d 卜【d l 刎 i a f 0 【i a f 靠d 】 p l 。丽毒琴碡 【d b 为弹塑性矩阵。 对于范米塞斯材料，可将加载函数写为【15 】： f = 仃一吒( 七) = 0 ( 2 6 ) 吒为单向拉伸的屈服应力，它的大小随塑性功k 而增加，对上式微分则得到： 目a f ：芭要要堡堡堡r ( 2 7 ) a 盯。2 吒2 吒2 吒吒吒吒。 、 将上式带入【d 】p 的表达式，可得： 。l = 石器【s s 逆曲九疋s 篷曲】 ( 2 8 ) 2 2m s c m a r c 软件介绍 m s c m a r c 软件包括m s c m a r c 与m s c m e n t a t 两部分【1 6 q 7 。m s c m e l l t a t 是新一代 非线性有限元分析的前后处理器，与m s c m a r c 求解器无缝连接。它具有以a c i s 为内 核的一流实体造型功能；全自动二维三角形和四边形、三维四面体和六面体网格自动划 分建模能力；直观灵活的多种材料模型定义和边界条件的定义功能；分析过程控制定义 和递交分析、自动检查分析模型完整性的功能；实时监控分析功能；方便的可见化处理 某高压涡轮转子系统静强度及疲劳可靠性分析 汁算结果能力：先进的光照、渲染、动画和电影制作等图形功能。并可直接访问常用的 c a d c a e 系统如；a c i s 、a u t o c a d 、c m o l d 、i g e s 、m s c n a s t r a n 、m s c p a t r a n 、 i d e a s 、v d a f s 、s t l 等等。 m s c m a r e 是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，体现了几十年来有限元 分析的理论力法和软件实践的完美结合。它具有极强的结构分析能力。可以处理各种线 性和非线性结构分析，包括：线性月e 线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分 析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静动力接触、屈曲失稳、失效和破坏分析 等。m s c m a r c 拥有4 个库，即单元库、功能库、分析库、材料库。m s c m a r c 单元库 提供了1 5 7 种单元，包括结构单元、连续单元和特殊单元，几乎每种单元都具有处理大 变形几何非线性、材料非线性包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性的 超强能力。m s c m a r c 的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复 合材料等多种线性和非线性复杂材料行为的材料模型。分析采用具有高数值稳定性、高 精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术。为了进一步提高计算精度和分析效率， m s c m a r c 软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，自动确定分析屈曲、 蠕变、热弹塑性和动力响应的加载步长。m s c m a r c 卓越的网格自适应技术，以多种误 差准则自动调节网格疏密，不仅可提高大型线性结构分析精度，而且能对局部非线性应 变集中、移动边界或接触分析提供优化的网格密度，既保证计算精度，同时也使非线性 分析的计算效率大大提高。此外，m s c m a r c 支持全自动二维网格和三维网格重划，用 以纠正过度变形后产生的网格畸变，确保大变形分析的继续进行。 对非结构的场问题如包含对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的非线性传热问题 的温度场，以及流场、电场、磁场，也提供了相应的分析求解能力；并且有模拟流一热 一固、土壤渗流、声一结构、耦合电磁、电热、电热一结构以及热一结构等多种 耦合场的分析能力。 m s c m a r c 除了支持单c p u 分析外，还具有在n t 或u n i x 平台上的多c p u 或多 网络节点环境下实现大规模并行处理的功能。m s c m a r c 基于区域分解法的并行有限元 算法，能够最大限度实现有限元分析过程中的并行化，并行效率可达准线性甚至线性或 超线性。m s c m a r c 并行处理的超强计算能力为虚拟产品运行过程和加工过程提供更快、 更细、更准的仿真结果。 一6 一 大连理。r 大学硕士学位论文 3 某高压涡轮转子系统的有限元计算 31某高压涡轮转子系统模型 311 实体模型 本文的高压涡轮转子系统包括高压涡轮叶片、涡轮轮盘、端轴颈及其连接件。 轮盘与叶片在榫槽处连接，叶片数量为8 6 个。轮盘分为两个端面，其中一端与端 轴颈连接传递动力扭矩，另外一端为自由端。螺栓数量为3 2 个。在涡轮轮盘的盘体上 开有8 个均压孔，使轮盘两端受压均衡。另外在盘体上还设有气封齿，在实际工作时气 封齿结构与周围的结构不接触，因为气封齿结构允许有微小的气流通过。 端轴颈与轮盘通过螺栓进行连接，其中一端插入轮盘轴孔中，但是两者6 j 隙较大。 另外一端设有气封齿。端轴颈上另外开有1 2 个均压孔。 幽3 1 轮盘实体模型 f i g31 e n t i t y m o d e l o f i u r b i n ed i r e 某高压涡轮转子系统静强度及疲劳可靠性分析 图3 2 端轴颈实体模型 f i g3 2e n t i t y m o d e lo f e n d j o u r n a l 312 有限元模型 由于模型的形状不规则，因而使得对模型进行的有限元划分变得十分困难。在圆角 过渡等区域经常出现包含奇异角的单元在计算过程中会在造成刚度矩阵奇异，使计算 失败，这就需要手工划分来避免奇异单元的产生。而且，在划分时，容易产生应力集中 的区域采用较密的网格，同时为了减少单元的数量，需要进行疏密过渡。在模型划分后， 仔细检查模型是否有缺陷存在，若模型中包含了不为人知的单元空洞、重合节点等缺陷， 会造成计算结果不准确，严重的还会使计算根本偏离了预期方向，甚至使计算进行不下 去。 由于计算不考虑叶片部位，本文将轮盘和端轴颈结构做了部分调整： ( 1 ) 去除轮盘以及端轴颈上的气封齿，它并不承受载荷并且会对网格划分产生不必 要的尺寸集中。 ( 2 ) 将轮盘上的棒槽部位删除，忽略榫槽处的通孔。根据文献 1 8 1 ，在切除面上施 加叶片和轮盘切除部分产生的离心载荷。 由于系统在结构上呈现旋转周期性【”，即绕其转轴转动口= 2 z e n ( n 为叶片数) 角度 后，结构的几何形状和转动前完全一样，并且初期对模型计算结果表明轮盘和端轴颈上 的均压孔对系统影响很小本文计算取1 3 2 轮盘和端轴颈建立计算模型，其中轮盘和端 轴颈均有1 个螺栓孔和均压孔。用h y p e r m e s h 软件将1 3 2 模型进行网格划分，采用六 面体八节点单元。划分后节点2 3 3 9 8 个、单元1 8 6 0 0 个。 大连理工人学硕士学位论文 酗3 a1 3 2 有限元同格 f i g3 4 f i n i t ee l e m c m t 研d s o f l 3 2 某高压涡轮转子系统静强度及疲劳可靠性分析 3 2 材料属性 3 2 1 轮盘材料属性 轮盘材料g h 7 4 2 ，它是一种以少相沉淀强化的镍基变形高温合金，主要强化元素为 铝、钛、铌、钴和钼。合金在5 5 0 - 8 0 0 。c 范围内具有高的持久蠕变强度，具有良好的综 合性能，较好的组织稳定性和耐蚀性 2 0 1 。密度取p = 8 2 3g c m 3 。不同温度下材料的热 传导系数、线膨胀系数、比热容、弹性模量、泊松比的数据如表3 1 3 5 所示。 表3 1 轮盘热传导系数 t a b 3 1t h e r m a lc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n to ft u r b i n ed i s c e | 2 51 5 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 九阀 8 51 0 2 1 2 7 1 4 2 1 6 01 7 8 1 9 82 1 62 3 6 ( m ) ) 表3 2 轮盘线膨胀系数 t a b 3 2l i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n to ft u r b i n ed i s c e | c2 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 伐1 1 1 21 1 21 1 81 2 71 2 91 3 31 3 81 4 31 4 81 5 5 ( 1 0 。6 ) 表3 3 轮盘比热容 t a b 3 3 s p e c i f i ch e a to f t u r b i n ed i s c 口，1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 c ( j ( k g ) ) 4 3 l 4 5 74 8 35 0 85 3 45 6 0 5 8 66 1 l 6 3 8 表3 4 轮盘弹性模量 t a b 3 4 y o u n g sm o d u l u so f t u r b i n ed i s c 秒2 06 5 07 5 0 e ，( g p a ) 2 0 l1 8 01 7 2 表3 5 轮盘泊松比 t a b 3 5p o i s s o n sr a t i oo ft u r b i n ed i s c 秒2 03 0 0 4 0 0 5 0 06 0 06 5 07 0 0 8 0 09 0 0 po 2 7o 2 7o 2 90 2 90 2 90 3o 30 3 l0 3 2 大连理工大学硕士学位论文 3 2 2 端轴颈材料属性 端轴颈采用镍基变形高温合金g h 6 9 8 材料。密度取p = 8 3 2g c m 3 。 表3 6 端轴颈热传导系数 t a b 3 6t h e r m a lc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n to f e n d j o u r n a l p ， o 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 兄( w 1 01 0 51 1 21 2 1 3 21 4 51 6 51 8 52 1 ( m ) ) 表3 7 端轴颈线膨胀系数 t a b 3 7l i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fe n dj o u r n a l 9 f 2 01 0 02 0 0 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 8 0 09 0 0 仅l 1 2 4 1 2 41 2 81 3 21 3 51 3 91 4 41 4 9 1 5 51 6 2 ( 1 0 。6 ) 表3 8 端轴颈比热容 t a b 3 8 s p e c i f i ch e a to f e n d j o u r n a l 口2 0l o o2 0 03 0 0 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 c ，( j ( k g - ) ) 4 1 04 1 04 1 5 4 2 54 4 54 6 84 9 05 3 05 7 0 表3 9 端轴颈弹性模量 t a b 3 9 y o u n g sm o d u l u so f e n d j o u m a l 口，2 04 5 0 5 5 06 5 07 0 0 7 5 0 8 0 0 e ( g p a ) 2 0 01 8 01 8 01 6 41 5 61 5 2 1 4 0 表3 1 0 端轴颈泊松比 t a b 3 1 0 p o i s s o n 。sr a t i oo f e n d j o u r n a l 乡2 01 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 06 0 07 0 08 0 0 0 4o 3 9 o 3 8o 3o 3o 3 1o 3 1o 3 2o 2 8 3 3 边界条件与计算载荷 3 3 1 边界条件 由于采用了三十二分之一模型进行分析计算，这就需要对模型侧面的位移加以合理 的约束，如对称面内节点不可能有周向位移，同时要限制盘体的刚体位移，所以本计算 某高压涡轮转子系统静强度及疲劳可靠性分析 需要激活软件中循环对称约束选项，不可以使用普通界面对称约束代替。所谓的循环对 称约束，需要将模型置于圆柱坐标系内，并且模型扇区两侧要完全对称，这样约束可得 到较好的计算结果。循环对称约束形式 2 1 1 为： q l = 以2 ，i = 2 ，v z l = 2 ( 3 1 ) 式中：u 却u ，分别为两对称面径向( r 方向) 的位移； 以，、玑，分别为两对称面周向的位移； 夥，、以，分别为两对称面轴向的位移。 轮盘除了与端轴颈通过螺栓连接外，没有任何其它约束条件：端轴颈一端设有止推 挡，在此处施加旋转轴方向的位移约束来消除计算模型的刚体位移。 3 3 2 计算载荷 在涡轮工作过程中，轮盘和端轴颈主要承受如下载荷： ( 1 ) 叶片、桦头及轮盘本身的质量离心力； ( 2 ) 轮缘部位与轮盘中心部位的温度梯度； ( 3 ) 气动载荷：一是由叶片传来的气体力；二是轮盘前、后端面上的气体压力； ( 4 ) 叶片及轮盘振动时产生的动载荷； ( 5 ) 盘与轴连接处的装配应力，等等。 其中气动载荷、振动载荷以及装配应力对轮盘的静强度影响较小，载荷数据也比较 有限，所以本文在进行强度计算时主要考虑了离心载荷和温度载荷的影响。温度场由厂 方提供，但该所未直接提供本课题所研究涡轮系统划分网格后所对应的节点温度值，而 仅仅提供了涡轮系统各腔室的温度分布，见图3 5 和表3 1 1 。 涡轮工作转速1 0 工况：9 7 3 5 r p m ，慢车工况：5 6 0 0 - - 6 2 0 0 r p m 。在正常启动情况下 的工况转换情况：零转速一慢车一1 0 工况一慢车零转速。从零转速到慢车工况需3 分钟，从慢车工况到1 0 工况需5 分钟。定义好旋转轴，按照离心载荷施加到每个单元 即可。另外在轮盘切除面上还要施加叶片以及部分轮盘贡献的离心载荷，具体大小为： 轮盘切除部分产生的离心力3 4 4 2 7 6 4 6n ，单个叶片产生的离心力1 0 1 4 5 1 5 8n 。 计算坐标系采用柱坐标系，其中x 轴表示涡轮盘的径向，y 轴表示周向，z 轴表示 轴向，坐标原点位于轮盘形心。 大连理工大学硕士学位论文 图3 5 腔室分布 f i g 3 5 d i s t r i b u t i o no f v a a t d c l e 表3 1 1 腔室温度 t a b 3 11 t e m p e r a t u r eo f v e n t r i c l e 腔室代号1 群2 群 3 撑错 5 #甜7 撑8 撑 9 j i 平均静温( ) 5 8 55 0 35 3 03 6 04 0 56 0 05 8 55 7 04 3 0 腔室代号 1 0 学1 1 挣1 2 释1 3 稃1 4 #1 5 撑l 醑1 7 撑1 8 斧 平均静温( ) 5 5 04 0 55 4 05 7 03 6 02 5 05 3 22 6 23 6 6 一1 3 某高压涡轮转子系统静强度及疲劳可靠性分析 表3 1 2 轮盘径向表面换热系数 t a b 3 1 2r a d i a ls u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f t u r b i n ed i s c 轮盘前轮盘前轮盘后轮盘后 符( 中部( 中部轮盘前榫根( 中部( 中部轮盘后 名称单位 号 上半部 下半部( 根部) 后侧上半部下半部( 根部) 分)分)分)分) 所在腔室 2 襻3 错7 群甜6 5 样 旋转 r o 刀z l 3 6 7 7 53 1 51 8 4 53 9 8 23 6 7 7 53 0 21 6 3 5 外径 旋转 吒 刀z 脚 3 1 51 8 8 58 73 6 7 7 53 0 21 6 3 58 7 内径 换热 口 w m 2 k 4 7 9 2 l 9 7 2 5 6 5 3 2 7 32 0 2 0 83 7 5 3 46 8 4 9 74 1 4 8 3 系数 表3 1 3 端轴颈径向表面换热系数 t a b 3 1 3 r a d i a ls u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f e n d j o u r n a l 名称符号单位左侧表面( 由上至下) 右侧表面 所在腔室 3 # 3 #1 6 # 1 7 撑 钟 旋转 外径 m m 2 1 7 51 7 6 51 3 6 51 1 51 7 6 5 旋转 内径 1 册册 1 7 6 51 4 4 81 2 3 31 0 2 38 5 换热 口 w m 2 k 4 5 1 23 5 7 0 71 5 9 81 0 7 2 45 1 2 9 系数 一1 4 一 大连理工大学硕十学位论文 34 温度场计算 图3 6 端轴颈稳态温度场 f i g3 6s t e a d y - s t a t e t 曲l p e r a t l l r e o f e n d j o u r n a l 创37 轮盘稳态温度坳 f i g 3 1 0 s t e a d y - s , a t e t e r a p e r a t u r e o f t u r b i n e d i s c 某高压涡轮转子系统静强度及疲劳可靠性分析 3 5 热弹性计算 热弹性计算可以使人们在短时6 j 内对结构的应力分布和变形规律初步了解，因此有 必要最先进行一次模型的热弹性计算。温度场的加入会引入材料的热胀冷缩，从而影响 到各部件之间的接触状态，因此必须进行准静态的热机耦合计算。在线弹性计算中，只 模拟结构“满载”过程，时间跨度3 6 0 0 0 s ( 1 0 小时) ，这样的设置可以使结构的瞬态 温度场达到稳定状态。本文计算主要对象为轮盘和端轴颈，因此将螺栓部位接触状态理 想化。强制各部件之间没有相对摩擦滑移以保证快速收敛。 _r_ 图3 8 结构等效应力 f i g3 8e q u i v a l e n t o f s i 把s s o f s f f u e t t t r 6 h * _ _ h - h 大连理1 大学硕士学位做 。霉 r 髫 逼 夏 闰3 9 轮盘等效应力及变形状态( 1 0 倍) f i g3 9 e 洲v a l e n ts 1 胞8 5a n d d c f o r m a t l o ns t a r , i so f t u r b i n ed i s c ( 1 0 t i m e s ) 圈3 1 0 端轴颈等效赢力及变形状态( 1 0 倍) f i g31 0 e q u i v a l e n t $ 1 1 1 1 $ sa n dd e f o r m a t i o ns t a t u s o f e n d j o u r n a l ( i o t i m e s ) 某高压涡轮转子系统静强窿及疲舸靠性分析 从图3 8 中可以看出：轮盘轴孔的变形受到了端轴颈的限制，最大应力值已经超出 了材料的屈服极限，因而材科出现了屈服。由于出现了局部屈服，中心孔部分的材料将 会受到循环疲劳的影响，困此该部分是轮盘强度计算应重点分析的部分。 另外应力集中的区域还包括轮盘均压孔处、端轴颈均压孔处、端轴颈与轮盘连接处。 为了能蟛区分轮盘的应力应变高值区域，定义轮盘与端轴颈的连接处为a 区域，定义轮 盘与轴连接处为b 区域。 3 6 热弹塑性计算 由上述热弹性计算结果可知在热载荷及机械载荷的作用下，结构的局部出现了超出 材料屈服强度的应力值，因而要计算结构的变形就必须考虑塑性变形。本节计算将模拟 进行“启动一慢车满载停机一慢车”的过程( 第二次慢车工况采用0 6 工况和0 8 工况两种情况) ，启动至慢车间隔1 8 0 s ，慢车至满载间隔3 0 0 s ，满载工作时间3 6 0 0 0 s ， 停机时间为9 0 0 s 环境温度为2 0 。 本次计算将瞬态温度场、材料非线性、接触以及摩擦耦台到一起，其结果是基于“在 增量步中处理节点分离状况的库伦剪切摩擦计算模型”。( 图示括号中的内容为计算工 况) 。 3 6110 工况下端轴颈计算结果 ( a ) 第一主应力 伍) f i r s t p r i n c i p a ls u , 1 s o ) 等效应力 ( 吣e q u i v a l e n ts 口鹳s 岫3 1 1 端轴顼鹿力状态( io ) f i g31 1 s u e s ss b 眦o f e n d j o u m a l ( 10 l ，碰理( 大学硕士学位论文 妙b 图3 1 2 端轴颈节点位置( 1o ) f 1 31 2n o t l e l o c a t i o n o f e n d j o u m a l ( 1 o ) 表3 1 4 端轴颈节点数据( 10 ) t a b3 1 4n o d e d a t a o f e n d j o u m a l ( 1o ) 节点l l 9 0 5 39 0 6 0 2 3 4 6 4 2 3 4 6 7 第一主应力l 7 3 6 1 87 3 7 0 5 57 3 5 6 6 9 等效戍力l l 7 l l4 9 9 6 8 9 4 9 l6 5 26 3 第一主席变lo 0 0 9 2 6 6 6 9 0 0 0 9 2 6 8 5 70 0 0 9 2