【摘 要】
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整体叶盘作为现代高性能涡轮机的重要部件,它具有重量轻、结构简单可靠性高等优点。因为整体叶盘没有叶片轮盘之间的连接结构,它的结构阻尼相比传统叶盘更低,同时一些成熟的阻尼结构也难以在其上面应用。另外由于失谐的影响,使得结构的振动水平大幅增加。因此,要采取合理的减振措施来防止整体叶盘因发生过大的振动而引起破坏和失效。硬涂层阻尼减振作为新兴的阻尼减振手段,具有杰出的减振性能以及良好的耐高温耐腐蚀的能力,因
【基金项目】
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国家自然科学基金(编号:51775092); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(编号:N170308028);
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整体叶盘作为现代高性能涡轮机的重要部件,它具有重量轻、结构简单可靠性高等优点。因为整体叶盘没有叶片轮盘之间的连接结构,它的结构阻尼相比传统叶盘更低,同时一些成熟的阻尼结构也难以在其上面应用。另外由于失谐的影响,使得结构的振动水平大幅增加。因此,要采取合理的减振措施来防止整体叶盘因发生过大的振动而引起破坏和失效。硬涂层阻尼减振作为新兴的阻尼减振手段,具有杰出的减振性能以及良好的耐高温耐腐蚀的能力,因此它可以应用于整体叶盘上。为了更好地将硬涂层应用在整体叶盘上,需要研究和开发失谐整体叶盘的有限元减缩建模方法以对硬涂层叶盘的振动性能进行有效预估。本文的研究包括以下内容:(1)系统地给出了循环对称算法的两种计算原理,并给出了利用单扇区模型得到整个谐调叶盘的频率与振型的推导过程。此外,建立了硬涂层-叶盘复合结构的有限元模型,并用实验验证了建模的正确性。最后分析了涂层前后谐调叶盘的振动特性,验证了硬涂层在谐调叶盘上的减振效果。(2)根据公称模态子集法(Subset of Nominal System Modes,SNM)分别建立了涂层前后的失谐整体叶盘减缩模型。其次,考虑到实际的随机失谐量的分布范围,采用双截尾正态分布模拟随机失谐。接着以该减缩模型为计算工具,通过蒙特卡罗模拟得到了涂层前后的失谐叶盘的振幅放大因子的统计规律。最后总结了 NiCrAlCoY+YSZ涂层在失谐叶盘上的减振特性。(3)通过在不同叶片上涂敷不同厚度的硬涂层来构建主动失谐并实现阻尼减振。首先研究了基于NiCrAlCoY+YSZ涂层构造的经典涂层模式的减振特性,并解释了阻尼失谐的机理和效应,以此改进了主动失谐的涂层模式。最后研究了改进的主动失谐涂层模式的减振特性。结果表明改进的主动失谐的涂层模式能极大地降低失谐叶盘的振动水平以及对失谐的敏感性。(4)基于一种特殊的混合界面子结构,提出了一个新的适用于同时含大失谐和小失谐的叶盘的减缩方法。首先,以其中一个扇区含几何失谐的叶盘作为研究对象并且认为随机失谐水平较小,将叶盘分为受损部分以及剩余部分两个单独子结构。将剩余部分的位移用对应该部分的圆周模态线性组合表示(一种特殊的自由界面法),将受损部部分移用Craig-Bampton固定界面法表示,通过模态综合的过程得到一个基矩阵。然后将失谐叶盘的低阶振型通过基矩阵的列线性组合表示,从而实现了利用这个基矩阵对系统进行减缩。当随机失谐水平变为中等以上时,提出利用子空间迭代法来更新基矩阵。接着以一个含有大失谐以及随机失谐的整体叶盘为例,将减缩模型计算的固有频率、振型以及受迫响应与ANSYS软件计算的结果对比,验证了该减缩模型正确性。最后,总结和讨论了这种适用于大失谐的减缩方法在硬涂层叶盘上的应用设想。硬涂层用于整体叶盘减振有着广阔的应用前景,本文所讨论的循环对称、失谐减缩建模、主动失谐建模、大失谐建模方法可为硬涂层叶盘动力学建模及振动预估提供有力的技术支持。
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