分布式拉杆转子轴向预紧力的确定

研究了分布式拉杆转子在考虑轮盘间接触效应时轴向预紧力的确定方法。分析了拉杆转子在不同工况下的转子最大等效应力,轮盘结合面最大、最小法向接触应力及转子弯曲刚度随拉杆预紧量变化的规律。结果表明:随着转子轴向预紧力的增加,转子能够传递更大的载荷,其弯曲刚度、固有频率与连续体的偏差更小,但转子的最大等效应力显著增加,材料的强度裕度显著降低。根据得到的拉杆转子最大等效应力结果、接触面法向应力分布、转子弯曲刚度结果及转子自由模态频率结果,确定了转子合适的轴向预紧力。当转子承受100 k N的切向载荷时,转子合适的预紧量范围为拉杆总长的7/10000—13/10000。     

碰摩拉杆转子非线性动力学响应特性

对定点碰摩故障状态下拉杆转子的非线性动力学响应特性进行了研究.将轮盘之间的非线性接触特性等效为具有非线性抗弯刚度的弹簧,基于达朗贝尔原理建立了考虑轮盘之间非线性接触特性、非线性油膜力以及碰摩力作用的拉杆转子轴承系统运动方程,并采用数值积分方法对运动方程进行求解,分析了系统位移响应随轮盘的转速和碰摩刚度等参数变化的规律.结果表明:轮盘之间的非线性接触对系统位移响应特性影响较大;随着轮盘转速的升高,系统呈非线性特性;碰摩刚度是影响拉杆转子轴承系统运动状态的重要因素,若增大碰摩刚度,系统的运动状态将发生改变.     

燃气轮机拉杆转子的轮盘结合面接触模型研究

为建立更加准确的燃气轮机拉杆转子的有限元模型,对拉杆转子轮盘结合面接触的力学模型进行研究。采用弹簧单元来模拟轮盘结合面的接触,基于结合面改进接触模型,获取结合面法向接触刚度-预紧力关系拟合曲线:随着结合面法向载荷的增大,其接触刚度也在逐渐变大,但是法向载荷超过一定值后,继续增大,接触刚度的增长趋势放缓。根据拟合曲线,得到设计预紧力下对应的接触刚度值,建立了考虑轮盘接触效应的某型燃气轮机拉杆转子有限元模型。结合传统有限元模型,比较临界转速计算结果:两种模型的前2阶临界转速基本相当,相对误差都小于1%;两者的第3阶临界转速相对误差相对较大,为1.66%;改进的有限元模型更真实的反映了某型燃气轮机拉杆转子的轮盘接触状态。     

某500 MW汽轮机机组中压转子振动特性计算分析

为了分析某500 MW汽轮机机组中压转子在经过临界转速过程中的安全性,对该机组实际运行中发生振动最大的中压转子进行了振动特性计算与分析.采用自己开发的转子动力学软件计算得到中压转子的第一、第二阶临界转速,分别求得转子在第一阶临界转速和3 000 r/min转速下的最大弯曲静挠度,通过静挠度分析程序计算得到不同转速下对应的等效重力加速度,最后在Ansys中通过施加等效重力加速度模拟了不同转速下转子的不平衡离心力,并施加此离心力载荷来计算分析不同转速下转子的弯曲等效应力分布.结果表明:第一阶临界转速和3 000 r/min转速下的等效重力加速度分别为10 m/s2和1 m/s2;计算得到的各种工况下的最大弯曲等效应力均远小于该材料的屈服极限.     

拉杆转子轮盘结合面接触传热试验研究

为了研究分布式拉杆转子在不同拉杆预紧力和轮盘表面粗糙度影响下轮盘结合面接触传热特性,建立了分布式拉杆转子轮盘结合面接触热阻分形模型,对拉杆转子进行了热力学计算。设计搭建拉杆转子轮盘结合面接触传热特性试验台,测量了拉杆转子温度场随拉杆预紧力和轮盘表面粗糙度的变化。结果表明:结合面接触传热系数随着拉杆预紧力增大而增大,随着轮盘表面粗糙度的增大而减小,并验证了结合面接触热阻分形模型适用于分布式拉杆转子轮盘结合面接触传热特性分析。     

分布式拉杆转子轮盘结合面接触热阻建模与分析

改进了结合面接触热阻分形模型,使其更适用于分布式拉杆转子轮盘结合面接触热阻的研究。通过理论计算和仿真分析,直观地揭示了轮盘结合面接触传热系数与拉杆预紧力、轮盘表面粗糙度及结合面温度的变化规律。研究结果表明,结合面接触传热系数随着拉杆预紧力增大而增大;随着轮盘表面粗糙度的增大而减小;随着结合面温度的上升先增大、后减小、再增大,但总体上呈增大趋势。同时表明,拉杆转子轮盘结合面接触热阻会对拉杆转子的整体温度场分布及热流传递产生重要影响,精确求解拉杆转子温度场分布及变化时必须考虑轮盘结合面接触热阻。     

燃气轮机拉杆转子有限元模型研究及临界转速计算

现代燃气轮机转子主要为拉杆转子,其形式分为中心单根或周向多根拉杆.无论哪种形式,拉杆转子已经不再是连续结构,轮盘之间的接触面将对转子动力学特性产生影响.首先分析了拉杆转子的受力情况,然后考虑接触面接触刚度对转子动力特性的影响,对传统的有限元方法进行了改进,并编写了相应的计算程序.最后计算了光轴、一对接触圆盘算例和某型真实燃气轮机拉杆转子的临界转速,并分别与传统有限元方法、三维有限元方法和测量值进行比较,验证了该改进有限元模型的正确性和有效性.     

陀螺效应对不同质量转子系统的模态影响研究

为研究陀螺效应对不同质量转子系统振动特性的影响,在其他转子部件和轴承不变的情况下,通过更改转轴的内径,获得不同质量的转子系统。考虑陀螺效应,对各转子系统进行不同刚度下的临界转速计算,探究刚度变化对不同质量转子系统临界转速的影响规律。研究发现随刚度的增加,存在一个刚度值,使不同质量转子临界转速的变化趋势发生变化。对不同质量的转子系统分别进行有无陀螺效应影响下的模态计算,对比分析各阶临界转速在两种情况下的偏差值,发现考虑陀螺效应的临界转速比未考虑陀螺效应的临界转速要高,而且陀螺效应对各临界转速影响不同。通过对比不同质量转子系统临界转速的偏差值,发现转子系统质量的大小对陀螺效应的作用效果也有一定影响。研究成果可为旋转机械转子系统的设计和工程校核提供参考。     

某重型燃气轮机临界转速计算方法研究

提出了适用于拉杆形式重型燃气轮机组转子动力学计算的一维模型简化方法。基于ANSYS的梁单元,建立了某重型燃气轮机转子的一维有限元模型,模型中考虑了接触效应对转子刚度的影响,并对该转子轴承系统临界转速进行了计算分析。还采用了二维广义轴对称单元模型进行了相关计算,作为对一维简化方法的验证。最后,进行了重型燃机整机现场振动数据采集,取得了临界转速的实验值,有限元计算结果与实验值吻合程度良好。     

双跨转子系统的临界转速影响因素分析

建立双跨转子系统模型,利用Ansys软件进行转子临界转速计算,并与理论计算结果比较,以保证结果的正确性。用有限元软件分析研究了支承变化、轮盘变化以及联轴器变化3种影响因素对双跨转子系统临界转速的影响。结果分析表明：在转子上增大支承刚度会增大双跨转子的临界转速,而在支承位置的偏移中,两段转子的临界转速表现出不同的变化趋势。增大转子上的轮盘质量,双跨转子的临界转速减小,偏移转子上的轮盘位置,双跨转子的临界转速增大。增大联轴器的刚度,双跨转子的临界转速增大,联轴器的位置处于中心时,临界转速最大,向两边偏移,临界转速减小。为汽轮机转子系统设计和处理汽轮机运行过程中由于结构数据变化引起临界转速改变提供参考。     

燃气轮机转子裂纹扩展及刚度特性研究

燃气轮机转子工作环境恶劣,转子结构易出现裂纹故障,为了解决燃气轮机转子裂纹难以被识别的问题,以某型燃气轮机高压转子为研究对象,通过三维建模以及ABAQUS仿真模拟其工作状态。首先,对易产生裂纹的位置进行了仿真计算;然后,在转子三维模型中对易产生裂纹的位置预置大小不同的裂纹模型,得到转子裂纹拓展情况;最后,在裂纹拓展后的转子模型上施加一定载荷,测量转子在不同裂纹状态下的拉压刚度、扭转刚度以及弯曲刚度。结果表明：某型燃气轮机高压转子的高压涡轮封严轮盘区域易出现裂纹故障,且转子刚度伴随裂纹增大呈下降趋势。     

An effective equivalent stiffness model combined with equivalent beam model to predict the contact pressure distribution for a large PEM fuel cell stack

The contact pressure distribution plays a key role to the proton exchange membrane (PEM) fuel cell performance. The purpose of this study is to propose an equivalent stiffness model combined with an equivalent beam model to predict the contact pressure distribution for a large fuel cell stack. With the established equivalent stiffness model, the equivalent values of contact pressure is revealed. Moreover, these equivalent values are extended by an iterative calculation for contact pressure distribution with an established equivalent beam model. Finally, the presented model is compared to a three-dimensional FEA model. This equivalent stiffness model has high accuracy only with a 4.1% tolerance and the correlation coefficient of FEA and equivalent beam model for the contact pressure distribution at transverse and longitudinal direction is 0.976 and 0.998. This presented equivalent model is effective and can provide a direction for future work on high-performance fuel cell stack design and optimization.     

GEOMETRICALLY LINEAR ANALYSIS OF THE THERMAL STRESSES IN ONE-SIDED COMPOSITE REPAIRS

This article presents an explicit solution of the thermal stresses in a one-sided composite patch repair, with the patch being orthotropic in both mechanical and thermal properties. The emphasis is placed on the analysis of the bending deformation of the reinforced structure resulting from thermal loading. The reinforced region is represented by an equivalent inclusion that undergoes a combination of in-plane extension and out-of-plane extension. Explicit formulae are derived for the thermal expansion coefficients as well as the bending stiffness and the in-plane extensional stiffness of the equivalent inclusion. The Eshelby inclusion analogy is first extended by postulating uniform bending curvatures and mean strains throughout the inclusion. The correctness of this conjecture is then proved by the satisfaction of force, bending moment, and displacement continuity conditions. Explicit solutions are finally derived for the bending and membrane stresses resulting from thermal loading of an isotropic plate reinforced by a circular patch. It is shown that the present solutions correlate well with the numerical results obtained using fully three-dimensional finite element analysis.     

重型燃气轮机转子结构及动力学特性研究综述

分析了典型的重型燃机轮机转子的结构特点和各种拉杆式转子的结构优缺点,重点阐述了拉杆式转子中的轮盘平面接触界面和端面齿接触界面的刚度模型及其对转子动力学特性的影响,以及阻尼环对中心拉杆动力学特性的影响及其与转子本体的耦合动力学特性.最后,介绍了拉杆式转子发生故障时的转子动力学特性,并提出了需要进一步研究的问题.     

拉杆结构非线性接触的刚度融合修正方法

为建立更加准确的航空发动机高压转子的有限元模型,对表征高压转子拉杆结构中盘与盘之间接触的力学模型进行研究,引入包含库伦摩擦力的非线性弹塑性滑动模型对该类接触进行描述。提出弹簧刚度矩阵和有限元模型整体刚度矩阵的融合修正方法,建立了有限元刚度的整体优化模型。运用拉直算子将模型中需要修正的参数分离出来,结合实验模态参数对有限元模型刚度进行了修正。以实际航空发动机高压转子为例,通过与线性模型的修正结果比较,证明该模型准确描述了拉杆结构的复杂接触,且融合算法是可行且有效的。     

A high efficient assembly technique for large PEMFC stacks: Part I. Theory

A high efficient assembly technique for large proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stacks is proposed to obtain the optimal clamping load. The stack system is considered as a mechanical equivalent stiffness model consisting of numerous elastic elements (springs) in either series or parallel connections. We first propose an equivalent stiffness model for a single PEM fuel cell, and then develop an equivalent stiffness model for a large PEMFC stack. Based on the equivalent stiffness model, we discuss the effects of the structural parameters and temperature on the internal stress of the components and the contact resistance at the contact interfaces, and show how to determine the assembly parameters of a large fuel cell stack using the equivalent stiffness model. Finally, a three-dimensional finite element analysis (FEA) for a single PEMFC is compared with what the equivalent stiffness model predicts. It is found that the presented model gives very good prediction accuracy for the component stiffness and the clamping load.     

应变能理论在端面齿连接段刚度的应用方法研究

端面齿应用在重型燃气轮机拉杆转子轮盘连接中是重要的传扭部件.对于特殊齿形结构的端面齿连接段刚度,很难通过传统工程方法得到.针对真实某型燃气轮机轮盘端面齿结构,提出端面齿连接段模化方法.基于有限元软件ANSYS,采用ANSYS ICEM建立三维周期对称有限元接触模型和整体模型,运用有限元方法和应变能理论,提出拉伸刚度修正系数和扭转刚度修正系数以表征端面齿不连续连接段刚度.考虑实际机组的运行工况,采用三维有限元计算在不同预紧力和扭矩下的应变能,得到拉伸刚度修正系数和扭转刚度修正系数.所得结论可为燃气轮机拉杆转子模化提供理论依据和方法.     

Parked aeroelastic field rotor response for a 20% scaled demonstrator of a 13-MW downwind turbine

Aeroelastic parked testing of a unique downwind two-bladed subscale rotor was completed to characterize the response of an extreme-scale 13-MW turbine in high-wind parked conditions. A 20% geometric scaling was used resulting in scaled 20-m-long blades, whose structural and stiffness properties were designed using aeroelastic scaling to replicate the nondimensional structural aeroelastic deflections and dynamics that would occur for a lightweight, downwind 13-MW rotor. The subscale rotor was mounted and field tested on the two-bladed Controls Advanced Research Turbine (CART2) at the National Renewable Energy Laboratory's Flatiron Campus (NREL FC). The parked testing of these highly flexible blades included both pitch-to-run and pitch-to-feather configurations with the blades in the horizontal braked orientation. The collected experimental data includes the unsteady flapwise root bending moments and tip deflections as a function of inflow wind conditions. The bending moments are based on strain gauges located in the root section, whereas the tip deflections are captured by a video camera on the hub of the turbine pointed toward the tip of the blade. The experimental results are compared against computational predictions generated by FAST, a wind turbine simulation software, for the subscale and full-scale models with consistent unsteady wind fields. FAST reasonably predicted the bending moments and deflections of the experimental data in terms of both the mean and standard deviations. These results demonstrate the efficacy of the first such aeroelastically scaled turbine test and demonstrate that a highly flexible lightweight downwind coned rotor can be designed to withstand extreme loads in parked conditions.     

带平行冠叶片的干摩擦阻尼特性研究

基于"滞后"弹簧摩擦模型,分析了带平行冠叶片的干摩擦阻尼特性。通过接触分析获得冠间的摩擦力和相对滑移量,进而求取冠间的等效阻尼和等效刚度。在冠间接触区域,引入了MATRIX27弹簧阻尼单元模拟冠间阻尼和刚度,并对带平行冠叶片进行谐响应分析。计算结果表明:带平行冠叶片的干摩擦可以有效抑制系统的振动,即减振。冠间法向压力、摩擦系数及冠间间隙等因素对系统减振效果有不同程度的影响。     

弯曲转子振动特性分析及处理

文章描述了某亚临界汽轮机组高中压转子弯曲发展过程,结合运行参数,分析了转子弯曲的原因是由于热应力造成的,归纳了热应力造成的弯曲转子振动特性,介绍了弯曲转子的处理措施和效果,对后续机组运行监视、转子弯曲原因分析、弯曲转子处理具有一定的借鉴意义。