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燃气轮机螺栓连接结构热蠕动及动力学特性研究

杨帆  
【摘要】:燃气轮机无论转子还是机匣在结构设计方面广泛使用螺栓连接结构,一方面是由于燃气轮机结构十分复杂,各部件采用螺栓连接结构有利于装配,另一方面采用螺栓装配可以将发动机分解为若干部件,这样有利于按照各部件工艺要求进行机加工;但是这种装配设计方法还会带来诸多问题,例如非连续结构会削弱结构强度以及刚度,同时相对连续结构,改变了热、力传递规律,这会使得被连接件接触界面间的接触行为趋于复杂,产生蠕动滑移现象,这对燃气轮机结构动力学特性造成影响。一方面机匣螺栓连接结构出现接触界面的滑移现象会对发动机装配精度以及整机振动造成影响,其次若转子多次启停后轮盘出现上述滑移现象,这会对转子动力学造成影响,导致振动加剧,因此对燃气轮机螺栓连接结构热蠕动及动力学特性的研究显得十分有意义。本文首先建立了典型螺栓连接结构接触界面热蠕动分析的有限元仿真模型,对产生接触界面热蠕动滑移的机理进行了分析,并对各影响因素(接触热阻、螺栓预紧力、热载荷边界等)进行了的研究。以某型实际航空发动机为研究对象,并结合典型螺栓连接结构热蠕动的分析思路,借助计算流体动力学方法仿真获得燃气轮机燃烧室机匣以及高压转子在一个运行周期内的温度边界,分别建立机匣和转子的有限元模型,对二者进行多周期螺栓连接结构接触界面热蠕动滑移进行仿真研究,仿真获得了燃烧室机匣装配同心度随运转周期的变化的大小及规律,以及考虑转子离心力作用轮盘被连接件的偏心量随着周期的变化规律。利用有限单元法建立航空发动机高压转子动力学分析模型,分析热蠕动量对转子轮盘的不平衡量的影响规律,结合仿真获得的偏心量结果,对该转子进行临界转速以及不平衡响应分析,同时设计搭建了测量燃气轮机模拟拉杆转子静态热蠕动试验台,对转子螺栓连接结构热致蠕动现象进行了实验验证。


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