680燃气轮机拉杆转子轴系临界转速及I型裂纹尖端塑性区的屏蔽效应

第一章绪论 (1)

1.1 680 燃气轮机拉杆转子轴系振动的三维有限元分析的项目背景 (1)

1.2 裂纹尖端塑性区增韧机制研究现状 (2)

1.3 相变增韧理论和Eshelby等效夹杂理论 (3)

1.3.1 相变增韧理论 (3)

1.3.2 Eshelby等效夹杂理论 (7)

第二章 680燃气轮机拉杆转子轴系振动的三维有限元分析 (11)

2.1本章研究内容 (11)

2.2 端面齿的等效模拟 (11)

2.2.1 端面齿模型的建立 (11)

2.2.2 端面齿的等效材料的弹性模量研究 (16)

2.3 680 燃气轮机拉杆转子轴系三维有限元计算模型 (20)

2.3.1 叶片简化 (20)

2.3.2 三维有限元模型 (21)

2.3.3 预紧力施加 (23)

2.4 680 燃气轮机拉杆转子轴系模态分析 (25)

2.4.1 模态分析简介 (25)

2.4.2 计算模型的材料属性 (26)

2.4.3 刚性支承条件下几种参数变化对临界转速的影响 (27)

2.4.4 滑动轴承支承条件下临界频率 (30)

第三章裂纹尖端塑性区增韧机制研究 (34)

3.1 本章研究内容 (34)

3.2 关联相变增韧和塑性区增韧 (34)

3.3小范围屈服条件下I型裂纹的塑性区增韧 (37)

3.3.1 引言 (37)

3.3.2 I型裂纹的塑性区增韧 (37)

3.4应用和讨论 (40)

3.4.1 引言 (40)

3.4.2 有限元模型 (41)

3.4.3 应力强度因子随硬化指数的变化 (42)

3.4.4 应力强度因子随加载条件的变化 (43)

3.4.5 应力强度因子随T应力的变化 (45)

3.5 简化公式 (46)

3.6 本章小结和结论 (48)

第四章空洞、气泡对I型裂纹应力强度因子的影响 (49)

4.1 本章研究内容 (49)

4.2公式推导 (49)

4.3 数值算例 (52)

4.4本章小结和结论 (54)

参考文献 (56)

致谢 (60)

攻读硕士学位期间发表的学术论文目录 (61)

第一章绪论

1.1 680 燃气轮机拉杆转子轴系振动的三维有限元分析的项目背景

临界转速是汽轮机和燃气轮机发电机组轴系的重要技术指标，是机组振动特性的第一要素，是机组在设计、使用、维修过程中的重要依据。它的准确计算是至关重要的。转子在一定转速下，某一阶固有频率可以被不平衡力激起，这个与固有频率一致的转速被称为临界转速。转子的固有频率和振型在数学上就是特征值和特征向量，按照弹性体振动理论，一个连续分布质量的转轴系统存在无数个特征值和特征向量。实际上，现代大型汽轮发电机组只有第一阶、第二阶临界转速和振型在它的工作转速之下出现，通常第三阶临界转速都在工作转速之上。

上海汽轮机有限公司的SIEMENS 燃机转子轮盘结构特点是采用轴向预紧的端齿连接。这种结构转子系统不是一个整体结构，而是通过端齿把压气机、涡轮等各个转动部件连接起来。端齿连接具有传扭性能好、装卸方便、容易定心等优点。但是这种结构特点，需要对转子施加较大的轴向预紧力才能将转子联成一体，这也是该类转子与普通转子的显著不同之处。正因为如此，其临界转速的计算方法与整体结构转子的计算方法有着较大的差别，尤其是端面齿轮盘之间的接触刚度对临界转子的影响等等，目前国内尚无对重型燃机拉杆转子的轴系振动特性计算的先例，为了掌握拉杆转子的轴系振动特性计算方法，本项目将研究并建立拉杆转子的数学模型和轴系振动计算方法, 尤其是端面齿轮盘接触刚度计算更没有经验可以借鉴，类似的计算分析文献也非常少见，因此这一研究工作在技术上具有一定的难度，在工程上又有很大的应用价值。本文的研究是为了更好的了解端面齿和空心轴振动性能和强度、刚度之间的关系，掌握680 燃机转子的轴系振动特性，为设计和运行提供数值上的参考依据，进而有能力避免燃气轮机机组在运行中可能出现的轴系问题或出现问题时能够作出正确的故障诊断。

临界转速的计算方法主要有两大类：传递矩阵与有限元法。传递矩阵法将大量的结构信息简化为具有简单集中质量的梁模型，易于计算分析和工程应用，但不能确保模型完整性和分析精度；有限元法可很好地保持模型完整性，因而精度较高。本文采用有限元法，将压气机轮盘、透平轮盘间端面齿啮合进行三维局部和整体建模计算分析，对680 燃气轮机的转子振动特性进行计算和分析。