飞机维修（发动机维修）专业毕业设计

飞机维修 发动机维修 专业毕业设计飞机维修 发动机维修 专业毕业设计 燃气轮机动力涡轮组件的强度分析 摘要 燃气轮机动力涡轮组件是燃气轮机的主要组件之一 由 于其不仅工作温度高 而且还要承受燃气轮机在起动和停机时 因温度剧烈变化引起的热冲击 工作条件恶劣 故涡轮组件是 决定燃气轮机寿命的关键部件 为确保有足够的寿命 本文重 点对某型燃气轮机低压涡轮压气机转子叶片的强度特性进行了 分析 并验证了其稳定性及可靠性 本文使用 sam cef field 软件的转子动力学分析模块对该转子叶片进行了分析计算 根 据机组实际运行的条件 计算了该机组转子具有较小的临界转 速 稳态不平衡响应 叶片丢失瞬态响应等 计算结果表 明 临界转速安全系数合理 转子系统选取的平衡量具有较小 的振动幅值 转子的瞬态响应结果验证了结构方案的合理性 转子系统具有较好的稳定性 得出了此转子结构方案能保证低 压涡轮压气机稳定运行的结论 从而为燃气轮机的可靠性 维 修性 保障性提供了参考 关键词 低压涡轮 强度 转速 振动 可靠性 1 前言 上世纪二十年代 德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃 气轮机 其效率为 13 功率为 370 千瓦 自此之后 燃气轮 机就逐渐进入了人们的生活领域 燃气轮机 汽轮机 发电机 及电动机等都是典型的旋转机械 都以转子作为工作主体 转 子连同轴承 支座等称为转子 支承系统 机组运转时 转 子系统常常发生振动 而振动产生噪声 降低了机组的工作效 率 严重的振动会导致转子断裂 造成重大危害 转子 支 承系统的振动是多样的 包括转轴的扭曲振动 弯曲振动和轮 盘叶片的振动等 转轴的振动较为复杂 牵涉的因素较多 转 子动力学就是以转轴的弯曲振动作为主要研究对象的 转子的不平衡量所引起的振动属于 强迫振动 它的角频 率和转动角速度相等 对于高速转子 除了不平衡质量引起的 振动以外 还有频率与转动角速度不相等的振动 称为 涡动 转子连接件配合面的摩擦 转轴的内阻 轴承油膜力或密 封引起的气动力等都是产生涡动的因素 理论上 转轴的这种 涡动属于 自激振动 1 涡动甚至可以破坏转轴或轴承 本文研究的对象是该型燃气轮机低压涡轮压气机转子叶片 通过对转子 支承建模 使用 sam cef 专业转子动力学分析 软件 采用有限元素法分析了其转子动力学特性 包括转子的 临界转速计算 稳态不平衡响应分析 转子稳定性分析等 验 证了其在工程应用方面的可用性及可靠性 同时得出了分析其 动力学特性的基本方法及结论 2 结构简介 该型燃气轮机低压涡轮压气机转子呈轴流轮毂式整体结构 它由 9 级低压压气机和 l 级低压涡轮组成 低压压气机与低压 涡轮之问通过低压涡轮轴连接并以花键传递扭矩 见图 1 0 8 级低压压气机轮盘 叶片材料为钛合金 低压涡轮盘 叶片材料为高温合金 低压涡轮轴材料为马氏体不锈钢 低压 涡轮压气机转子呈 3 点支承结构 前支承采用径向止推滚珠轴 承 支承点位于压气机 o 级轮盘的前段 由弹性支承 挤压油 膜阻尼器 滚珠轴承组成 中间支承采用滚柱轴承 由挤压油 膜阻尼器 滚珠轴承组成 支承点位于低压压气机后轴径后段 后支承采用滚柱轴承 由弹性支承 挤压油膜阻尼器 滚珠轴 承组成 支承点位于低压涡轮轴后段 3 计算模型 该型燃机低压涡轮压气机转子的 3d 模型较大 这将导致 在网格划分以及计算过程中花费大量时间 因此我们对本机组 的计算采用 2d 轴对称模型 在总体直角坐标系下建立二维轴 对称单元 其种类有 3 节点或高阶 6 节点的三角形单元 4 节 点或高阶 8 节点的四边形单元 每个节点有 9 个自由度 前 6 个自由度与梁单元一样 分别为沿旋转轴线方向的拉伸和扭转 以及由弯曲而引起的其他 2 个方向的线位移和角位移 另外 3 个自由度与旋转轴的横截面变形有关 分别为拉伸引起的径 向位移和弯曲引起的 2 个切向位移 同时 使用这类单元可以 很好地模拟转子的 涡动效应 建立总体直角坐标系 x y z 和局部圆柱坐标系 e1 z e2 设定 u1 u2 u3 1 2 3 为局部坐标系下的位移 分量 将它们沿 0 向按傅立叶级数展开如下 式中 n 为波数 m 为相数 每个谐函数 n m 对应 1 个结 构的基本变形 2 低压涡轮压气机转子的压气机叶盘间的连接方式为焊接或 螺栓紧固 涡轮叶盘与涡轮轴之间也是以螺栓紧固的方式连接 低压压气机与低压涡轮轴之间的连接为花键 以此为依据进行 整体建模 低压涡轮压气机转子叶片较长 其质量及转动惯量 都很大 会产生较大的离心力和回转力矩 这种回转效应会对 转子的临界转速产生比较大的影响 叶片等效简化为集中质量 加到计算模型中 4 计算内容 4 14 1 支承刚度和阻尼计算支承刚度和阻尼计算 现代航空发动机高速转子系统大都采用 柔轴 设计 使发 动机工作转速高于转子系统的临界转速 该型燃机低压涡轮压 气机转子就采用了这种设计理念 由转子在临界转速时的挠度 和传递率可知 此类转子工作在临界转速或者通过临界转速时 其振幅正比于不平衡量和转子的临界角速度 反比于阻尼系数 3 显然 对于 柔轴 类转子系统采取适当措施减小转子的 不平衡量 降低临界转速和增大阻尼都是可以达到减小转子振 动幅值的目的 而在发动机总体结构设计已经确定的前提下 采用弹性支承或者阻尼器 或者两者兼而有之 就成为了最为 有效和可行的方法 该型燃机低压涡轮压气机转子就采用了这 种减振方式 机组所采用的弹性支承就是所谓低刚性弹性支承 可以使转子在通过临界转速时的振幅和通过轴承座的外传载荷 均很小 这就可使转子工作在低阶临界转速以上 因此确定该 型燃机低压压气机转子支承刚度是计算转子 支承系统临界 转速所必需的前提条件 4 1 14 1 1 前支承刚度和阻尼计算前支承刚度和阻尼计算 低压压气机转子前支承位于 0 级轮盘前段 由鼠笼式弹性 支撑 挤压油膜阻尼器 滚珠轴承组成 1 滚珠轴承的刚度 4 式中 k1 为径向刚度 fr 为径向外力 n 为滚珠数 量 d 为滚珠直径 为接触角 2 鼠笼川度 以有限元法计算了鼠笼的静刚度 3 挤压油膜阻尼器的刚度及阻尼计算 转子 支承系统采用挤压油膜阻尼器后 便会出现油膜 刚度和油膜阻尼 在分析其动力特性时 除转子一支承系统自 身的刚度外 还要计及油膜刚度 油膜阻尼远远大于转子一支 承系统其他阻尼 存在油膜阻尼时 其他阻尼甚至可以忽略不 计 因此 对于前支承来说 油膜阻尼就是其支承系统的阻尼 依据其结构分析 前支承的阻尼器应按短轴承半油膜计算 4 前支承总刚度 阻尼 n m n s m 4 1 24 1 2 中支承刚度和阻尼计算中支承刚度和阻尼计算 中间支承位于压气机后轴颈后段 由挤压油膜阻尼器 滚 珠轴承组成 1 滚珠轴承的刚度计算 式中 k1 为径向刚度 fr 为径向外力 n 为滚珠数 量 l 为滚子有效长度 为接触角 2 中间轴承总刚度及总阻尼计算 n m n s m 4 1 34 1 3 后支承刚度和阻尼计算后支承刚度和阻尼计算 后支承位于低压涡轮轴后段 由弹性支承 挤压油膜阻尼 器 滚珠轴承组成 后支承总刚度及总阻尼计算如下 n m n s m 4 24 2 低压涡轮压气机转子临界转速计算低压涡轮压气机转子临界转速计算 低压涡轮压气机转子是由低压压气机转子 低压涡轮转子 组成的轴系 掌握轴系厂卜单独转子的动力学特性对分析整体 轴系的动力学特性是十分必要的 由于低压涡轮前端以花键与 低压压气机后轴径相连接 并依靠低压后轴径上的中问轴承作 为其前支承点 即低压涡轮并没有独立的前支承 也就没有单 独计算低压涡轮转子临界转速的必要 因此在计算整体轴系的 临界转速之前 首先对低压压气机转子进行了临界转速计算分 析 4 2 14 2 1 材料属性材料属性 低压涡轮压气机转子是由几种不同的主体材料结构组成 对 2 种不同材料的属性分别进行定义 低压压气机轮盘材料为 钛合金 低压压气机后轴径为马氏体不锈钢 低压涡轮轴为马 氏体不锈钢 低压涡轮为高温合金 分别计算低压压气机叶片 与低压涡轮转子叶片的等效质量和等效转动惯量后 以集中质 量的方式对其加载 见图 2 图 2 施加各项边界条件后的转子 4 2 24 2 2 计算结果及分析计算结果及分析 1 计算结果 低压涡轮压气机转子临界转速计算结果如表 1 所示 1 3 阶临界转速的振型如 图 3 图 5 所示 2 结果分析 由于低压涡轮压气机的慢车转速 n1 2400r min 工作转 速为 n 7700 r min 根据本文的计算结果 可知 临界转速的安全系数 k1 np1 n1 3680 2400 l 53 k2 np2 n0 12330 7700 1 60 超速时的临界转速的安全系数 k2 np2 n0 1 15 12330 7700 1 15 1 39 4 34 3 稳态谐波响应分析稳态谐波响应分析 稳态不平衡响应的计算是转子动力学分析中与临界转速计 算同等重要的基木任务 稳态不平衡响应分析也可以用来确定 系统的临界转速 但它更重要的任务是不是用来求解在转子系 统中可能存在的不平衡量作用下 转子一支承系统的稳态不平 衡响应 分析研究如何采取措施 限制最大不平衡响应及减小 不平衡响应 在任一转速下的不平衡响应 可能是若干个主振型的线性 叠加 随着转速的改变可由某一阶振型向另一阶振型过渡 小 平衡量的分布规律的改变可引起稳态不平衡响应的变化 不仅 仅是量的变化 也会引起相应 振型 的变化 因此 稳态不平 衡响应计算比临界转速计算能提供更多的有用信息 转子的激 振力就是转子的转速 振动幅值与转速的平方成比例 分析该 转子的不平衡响应对于掌握其在不平衡量作用下的动态响应特 性是非常重要的 4 3 14 3 1 计算模型计算模型 按 g1 级精度确定低压涡轮转子的单位质量允许的剩余不 平衡量 加重位置位于第 o 级压气机轮盘及涡轮盘上 第 0 级 压气机轮盘上的不平衡量为 2 54g 涡轮盘上的不平衡量为 l 37g 4 3 24 3 2 计算结果计算结果 在不平衡响应计算结果中 可以得到转子在计算频域范围 内的最大响应值 同时也可以得到工作转速范围内的最大响应 值 最大响应值包括最大相对变形以及最大相对旋转角度 4 44 4 瞬态响应分析瞬态响应分析 转子系统的瞬态响应分析主要是转子系统不平衡突然变化 作用在转子系统上的外载荷突然变化或转子系统在变转速下工 作等情况下 转子系统的响应分析 包括转子系统的位移 变 形以及支承结构的传递载荷分布 对于带挤压油膜阻尼器的转 子系统 在机动载荷作用下的响应需进行瞬态分析 飞机机动 飞行时引起的机动载荷 陀螺力矩和惯性力 通常按静载处 理 即只计及机动载荷作用下转子结构的静位移 对于带挤压 油膜阻尼器的转子系统 需要用瞬态响应分析方法分析在该冲 击载荷作用下阻尼器的承载能力和抑制失稳的能力 此外 对 于支承各向异性或带非同心型挤压油膜阻尼器的转子系统 需 要采用瞬态响应分析方法才可能求得稳态响应特性 对于低压涡轮压气机转子 其计算模型为一个只计刚性不 计质量的柔性轴 轴中央一个具有质量偏心的单盘 轴两端对 称地安装在刚性支承上 盘的质心坐标为 xc 和 yc 它与固定 坐标 x 和 y 的关系为 转子除受不平衡力作用外 还受由加速或减速引起的惯性 力作用 在固定坐标系统内转子系统的运动方程为 式中 m c k 分别为盘的质量 系统外阻尼 轴刚度 w 为自转角速度 为角加速度 e 为质量偏心距 求解瞬态响应问题 从数学上可归结为求解初值的问题 整个系统的位移和速度必须由初始瞬时值来确定 由此初始值 开始 取适当时间步长在时域内积分 如系统动力稳定 瞬态 过程即消失 则系统在周期激振力作用下产生周期运动稳态响 应 如果系统是不稳定的 则瞬态响应不会消失而会随时间增 长 除非系统中由于非线性参数的作用 而形成所谓极限圆 所以瞬态响应分析既是求解非线性动力学问题的一种有效方法 也是判定系统稳定性的一个重要方法 本文对叶片丢失的转子系统进行了瞬态响应计算 转子系 统在叶片折断丢失时的响应 在加 减速过程的小平衡响应都 是瞬态响应 转子瞬态响应的分析是转子动力学分析计算的一 项重要内容 分析叶片丢失时转子的突加不平衡响应 可以用 模态坐标下的运动方程来分析 求得响应后 再转变为物理坐 标下的响应 突加不平衡量的离心力表示为 对于平面 对于平面 式中 u t 为单位阶跃函数 转子变速过程通常近似为等加速或等减速过程 此时有 式中 为转子转角 w0 为初始角速度 对运动方程式进行直接积分可以求得系统在变速时的不平 衡响应 这时 式中油膜耦合力应采用瞬态力表达式 不平衡 离心力的表达式改为 对于平面 对于平面 对于离心力 f 应根据不同的不平衡量的相对位置来确定 5 在瞬态响应计算结果中 可以得到转子在计算时域范围内 支承点以及叶片丢失点的最大响应值 其中包括位移 速度 加速度等 也可以得到轴心轨迹等数据 还可以从计算结果中 得到转子稳定性的结论 同时也可以得到计算时域内的响应变 化曲线等 5 结论 1 临界转速计算结论 本文计算的该型燃机低压涡轮压气机转子的慢车转速的临 界转速安全系数为 1 53 全工况工作转速的临界转速安全系数 为 1 60 超速时的临界转速安全系数为 1 39 可见 此结构方 案能满足低压涡轮压气机转子稳定运行的要求 且有较高裕度 2 不平衡响应计算结论 在工作频率范围内 转子的动态响应较小 最大变形为 o 055mm 62 5h z 证明改进技术研究达到预期效果 精度 得到很大程度的提高 因此 低压涡轮压气机转子选取的平衡 精度是合理的 同时具有较小的振动幅值 3 瞬态响应计算结论 分析了转子