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船用汽轮机除湿级带冠叶片振动特性及寿命分析

李剑钊  
【摘要】:本论文通过理论分析和试验,研究船用汽轮机除湿级带冠叶片的振动特性及疲劳寿命。 叶片的安全可靠性是汽轮机安全运行的重要保证,叶片振动以及由此引起的疲劳损伤是导致回转机械叶片失效的一个重要原因。船用汽轮机除湿级采用的带冠叶片工作在高转速、变负荷、湿蒸汽等恶劣条件下,加之结构上与传统叶片明显不同,其安全性变得更为重要,对叶片强度、振动以及疲劳寿命等特性进行系统分析,具有重要的现实意义。 本研究利用非线性阻尼模型,建立了带有碰撞阻尼的叶片三维实体单元的叶片结构整体动力学方程;进行了基于平板叶片的碰撞减振机理研究,计算分析了两只、三只叶片在不同叶冠间隙、不同激振力幅值和不同激振力频率条件下的振动特性;引入罚函数法进行带冠叶片的固有频率计算,并对带冠叶片的叶冠结构及质量、叶冠间隙以及叶身纵向槽道等因素进行了影响分析。结果表明:叶片的碰撞表现出非线性的振动特点,出现明显的频谱分量,具有碰撞条件的叶片可以抑制外力做功,外力做功能力随着叶冠间隙的减少而减少;叶冠间隙对叶片动应力有很大的影响,并呈现明显的规律性,当间隙一定时,对应的最大动应力不随激振力的增加而变化;叶身纵向槽道对叶片的固有特性影响较小,但槽道处有应力集中现象。 本课题还对损伤力学理论与累积损伤理论进行了对比研究,并应用全耦合损伤力学理论对汽轮机叶片的疲劳寿命以及损伤进行了分析。累积损伤理论在寿命预测时高估了叶片的寿命,而多轴复杂应力状态加速了叶片材料的损伤演化,缩短了叶片的疲劳寿命;连续损伤累积模型更准确地反映了叶片材料的非线性损伤累积发展过程;采用损伤力学方法能对构件的损伤和寿命进行较精确的描述,能更真实地反映材料的损伤发展过程,与当前普遍采用的累积损伤理论相比,不论是在损伤理论模型还是分析方法方面都更为合理。 实验研究工作主要在叶片的减振机理和振动特性方面。利用组建的实验装置和测试系统,对平板叶片的减振机理和带冠叶片动态特性进行了试验研究。试验结果表明:碰撞条件使得叶片振动出现明显的频谱分量,碰撞条件可以抑制外力做功;间隙安装的整圈带冠叶片具有单只叶片固有频率特性;叶冠间隙


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