2122224007轴流压气机不同工况下燃气轮机转子受力及振

硕士学位论文轴流压气机不同工况下燃气轮机转子受力及振动分析ResearchonForceandVibrationoftheGasTurbineRotorUndertheDifferentConditionsofAxialFlowCompressor2014年12月国内图书分类号：TH453学校代码：10079国际图书分类号：621密级：公开硕士学位论文轴流压气机不同工况下燃气轮机转子受力及振动分析硕士研究生：导师：申请学位：工学硕士学科：机械工程专业：机械电子工程所在学院：能源动力与机械工程学院答辩日期：2015年3月授予学位单位：华北电力大学ClassifiedIndex:TH453U.D.C:621ThesisfortheMasterDegreeResearchonForceandVibrationoftheGasTurbineRotorUndertheDifferentConditionsofAxialFlowCompressorCandidate：Supervisor：School：SchoolofEnergy,Power&MechanicalEngineeringDateofDefence：March,2015Degree-Conferring-Institution：NorthChinaElectricPowerUniversity华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《轴流压气机不同工况下燃气轮机转子受力及振动分析》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书《轴流压气机不同工况下燃气轮机转子受力及振动分析》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打“√”）：保密□，在年解密后适用本授权书不保密□√作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文I摘要燃气轮机组作为新兴机组，在我国总装机容量中占有的比例越来越大，而燃机技术的瓶颈极大的限制了国内燃机的发展。本文选题基于这样的大环境，同时着眼于国内对燃机结构与流体研究分离的现状，旨在弥补燃机技术结构与流体两者关联研究的空白，并为后续燃气发电机组轴系受力与振动分析打下基础。本文采用Pro/E建模、Ansys后续简化分析的思路对轴流压气机的工作状态和失速后的激振力进行了分析，并通过结构模块对转子在激振力作用下的振动进行了仿真分析。研究内容及成果如下：（1）对轴流压气机的结构和工作原理进行分析，得到了轴流压气机不同工况下的受力。通过公式明确了轴流压气机的做功主要包括气体动能的变化和内部压力势能的变化，并当动叶级发生部分旋转失速时，考虑失速团的传播转子将受到与失速团传播等频率的切向激振力作用。（2）模拟得出了特定轴流压气机流量-全压特性曲线，并对轴流压气机不同工况进行了仿真。仿真结果表明：在正常工况下，轴流压气机整体只受轴向力和力矩的作用，且整体受到轴向力和力矩与单个叶片所受合力成一定的比例关系；切向力和力矩与流量呈相同的变化趋势，而轴向力与之相反；随着转速的增大叶片的轴向力、力矩和切向力不断增大；随着全压的增加，轴向力呈线性关系不断增大，力矩和切向力整体保持在一定的水平。（3）从轴流压气机的失速分类出发，对轴流压气机失速过程进行仿真，得出仿真过程的模拟数据并分析。仿真结果表明：叶片的受力在失速的起始阶段有骤变，完全失速阶段的变化频率与失速区域传播频率一致。失速区域的传播速度一般在转速的30%-50%范围内，且振动频率中存在过叶片频率、失速频率及其倍频成分。（4）从机械结构与振动角度出发，对转子结构和振动进行了仿真分析。得出叶片在叶根处的等效应力应变较大，其中叶片前缘的中间位置和叶片后沿的叶根处尤其需要注意；同时转子在受力矩作用下，其应力应变数值和变形数值的大小区域完全相反，且转子在受到失速团激振力作用下会发生与其传播速度等频率的受迫振动。关键词：轴流压气机；燃气轮机组；转子；失速；振动华北电力大学硕士学位论文IIAbstractGasturbineasnewgeneratingunits,theproportionofitinourcountryisrisingyearbyyear.However,thedevelopmentofgasturbinetechnologyinourcountryisveryslow.Thisarticletopicselectedbasedonthisenvironment,andtheseparationsituationofgasturbinestructureandfluidresearchinthedomestic.Itaimedtomakeuptheblankoftheassociationstudies,andlaidthefoundationforsubsequentresearchofthegasturbineshafting.ThisarticleusedthePro/Etomakethemodel,thensimplifiedanalyzedtheworkconditionoftheaxialcompressor.Theexcitingforceofstallhasbeenanalyzed.Theresearchcontentsandresultsasfollow:(1)Thestructureandworkingprincipleofaxialflowcompressorareanalyzed,theformulashavebeenshowedthattheaxialflowcompressorworksmainlyincludethechangesofgaskineticenergyandtheinternalpressurepotentialenergy.Ifpartoftherotatingstalloccurs,thetangentialexcitationforcewilleffectontherotoratacertainfrequency.(2)Flow-totalpressurecharacteristicofthecompressorisobtainedthroughthesimulation,thenthispapersimulatethedifferentworkconditionofaxialflowcompressor,theresultsshowthat:Innormalcondition,onlythebalanceforceandmomentactedontherotor,andtheresultantforceandmomentisproportionaltotheforceactedonthebladeofrotor.Tangentialforceandmomenthavethesamechangetrendwiththeflowrate,buttheaxialforceincontrast.Theaxialforce,torqueandtangentialforceincreasedbytheincreasingofrotationalspeed.Withtheincreasingoftotalpressure,theaxialforceincreasedinlinear,torqueandthetangentialforcemaintainatacertainlevel.(3)Thischapterstartedfromtheaxialflowcompressorstallclassification,thensimulatedtheprocessofstallandobtainedthestalldate.Theanalysesshowthat:theforcesactedontheblademutateintheinitialstageofstall,andthefrequencyofforceequaltothestallspreadspeed.Thestallspreadspeedis30to50percentoftherotorspeed,andthevibrationfrequencyincludethebladepassingfrequency,stallfrequencyandothermultiplefrequencycomponents.(4)Thischapteranalyzedtherotatingstructureandvibration.Thebladeequivalentstressandstrainislargeratthebladeroot,andtheintermediatepositionofthebladeleadingedgeandthebladerootplaceneedtobepaidmoreattention.Whenthemomentactedonrotor,thestressstrainanddeformationvaluesarecontrary.Andtherotorvibratedinastallspreadfrequency,whentheexcitationforceofstallactedonit.Keywords:axialflowcompressor;gasturbine;Rotor;stall;vibration华北电力大学硕士学位论文III目录摘要.....................................................................................................................................IAbstract.............................................................................................................................II第1章绪论......................................................................................................................11.1研究背景及意义...................................................................................................11.2国内外研究现状...................................................................................................21.2.1轴流压气机失速研究现状.........................................................................21.2.2燃气轮机组转子受力研究现状................................