汽轮机自带围带叶片动力特性有限元分析

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本文研究大型汽轮机自带围带叶片的振动特性,着重论述自带围带叶片的减振机理、影响减振效果的因素及其在运行过程中形成整圈自锁的条件。作为工程实例,将国产1029mm叶顶自由叶片改型为自带围带叶片,以三维实体单元模化复杂叶型,采用三维有限元方法,对改型叶片及整圈自锁叶片的动静力特性进行了理论分析和数值计算。在集中参数模型分析方面,建立了单自由度模型,在该模型中考虑了围带接触面正压力N0、接触刚度k d、摩擦系数μ、与周向的夹角α、激振力幅值F0对自带围带叶片减振特性的影响。其中,参数α的考虑是对已有模型的重要改进。参数α对阻尼围带的减振效果具有较大影响,合理地选取参数α可使阻尼围带的减振效果达到最佳。在叶片建模方面,针对叶片变截面、大扭曲度、各特征截面型线为复杂曲线,不能用常规的初等曲线来描述的特点,提出了基于NURBS造型理论的叶片三维实体造型方法,对实例叶片进行了三维实体造型,利用三维实体模型并借助有限元方法来分析长叶片的动静力特性,改进了长叶片动静力特性分析方法。在叶片动静力特性有限元分析方面,借助有限元分析软件ALGOR,研究了转速、围带工作面间初始间隙δ、与周向的夹角α对叶片扭转恢复角及围带接触紧度的影响;对自由叶片、整圈自锁叶片的固有频率、振型进行了计算分析,绘制了共振转速图(Campbell图),并考核了整圈自锁叶片在28503090r/min范围内是否存在节径数m≤6的“三重点”共振,对机组的安全运行具有实际的指导意义;提出改进的摩擦模型解决计算过程中收敛困难的问题,研究了自带围带叶片的动态响应,得出围带间存在最佳初始间隙,并确定了关键参数的取值范围,为自带围带叶片的优化设计提供了依据与可借鉴的方法。本文研究成果为汽轮机叶片动静力特性的研究提供了有效的数值方法,对我国汽轮机自带围带叶片的研制和改型设计有着重要的工程应用价值。
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