燃气轮机拉杆转子考虑接触效应的扭转振动模态分析

燃气轮机转子一般是由多个层叠的轮盘通过拉杆组合而成,各轮盘接触面由磨削加工形成。粗糙度测试结果表明磨削加工的实验拉杆转子轮盘面具有两个不同分形结构的区域。利用结构函数法计算了这种双重分形面的轮廓曲线的分形维数D1、D2和分形粗糙度参数G1、G2 。采用双重分形几何描述接触表面的拓扑结构,并根据赫兹接触理论导出接触微凸体的切向接触刚度。弹塑性双重分形面的切向接触刚度等于所有微观弹性接触点的切向接触刚度的总和。粗糙层是由相接触的微凸体所构成的,其抗扭刚度模化为接触转子轮盘间的一个抗扭弹簧。通过三维有限元模态分析和实验模态分析得到了拉杆转子在不同预紧力下的扭振模态频率。通过上述计算和实验结果识别了粗糙层的抗扭刚度,实验测试结果和理论计算结果相一致,这表明上述接触层抗扭刚度的双重分形模型实合理的,可以有效地考虑接触效应对拉杆转子扭转振动模态频率的影响。     

拉杆转子-轴承-密封系统接触刚度矩阵建立及动力学特性分析

周向拉杆转子结构在燃气轮机中非常常见,而转子结构中普遍存在的拉杆及接触层对转子-轴承-密封系统的动力学特性具有非常重要的影响。在本研究中,建立了周向分布拉杆的力学模型和表征轮盘之间接触效应的非线性接触刚度矩阵,该接触刚度矩阵由七个刚度系数组成,这七个刚度系数可以综合表征接触层横向刚度,剪切刚度,弯曲刚度,扭转刚度,并且该矩阵能够考虑转子变形对于刚度系数的影响。结合基于短轴承理论并且经过试验验证的非线性油膜力模型和Muszynska密封力模型建立了周向拉杆转子-轴承-密封系统的动力学模型。采用了Newmark-β法对动力学方程进行了求解,并采用三维频谱图分析了预紧力大小和预紧力不均对周向拉杆转子-轴承-密封系统的非线性动力学特性的影响规律。结果表明,接触刚度以及故障拉杆的相对位置对拉杆转子-轴承-密封系统的稳定性及频率成分影响明显。     

考虑接触刚度的燃气轮机拉杆转子动力特性研究

基于弹塑性理论对具有粗糙表面的长方微元体进行有限元接触分析,根据受力和变形关系得到了不同载荷作用下的法向和切向界面接触刚度。将微元体界面接触刚度与宏观结构应力分析结果相结合,给出了考虑接触刚度的组合结构动力特性研究方法,分析了压气段轮盘接触刚度对某重型燃气轮机拉杆转子固有振动频率的影响。结果表明,界面接触刚度导致转子固有频率降低,随着接触刚度的增加,其对固有频率的影响逐渐减小。接触刚度对转子各阶固有频率的影响不同,法向刚度对第一阶弯曲频率影响较大,切向刚度对第二阶弯曲频率影响较大。     

直线滚动导轨的Hertz接触建模及接触刚度的理论求解

直线滚动导轨是数控机床的重要功能部件,对导轨系统进行解析建模可以有效分析导轨的特性参数对导轨力学性能的影响。该文基于Hertz接触原理,对直线滚动导轨进行了Hertz接触建模及接触刚度求解。首先,推导了导轨系统中单个滚珠-沟槽的接触刚度解析表达式。在此基础上,系统地分析了滑块与导轨之间的变形关系,完成了整个导轨的法向接触建模。最后,以NSK直线导轨为对象,分别求解了单个滚珠及4种预紧力等级作用下整个导轨系统的接触刚度,并绘制了载荷-弹性变形以及刚度-弹性变形之间的关系曲线。进一步,利用所创建的模型,分析了外载荷及预紧力对导轨接触刚度的影响。     

接触界面对拉杆组合柔性转子轴承系统的非线性动力特性影响

对于拉杆柔性组合转子轴承系统,其接触界面类型复杂、数量众多,是影响其动力特性的众多因素之一。以拉杆柔性组合转子轴承系统各轮盘间的接触界面为考察对象,根据接触界面压力结合微观模型有限元分析,得到其宏观尺寸下的界面接触刚度。采用无质量无长度的均质面弹簧对接触界面进行等效,推导了接触界面作为附加弹簧单元对系统产生附加刚度矩阵的一般形式,并完成了计及接触界面效应的系统动力学建模。结合应用计及轴向力的铁木辛格梁轴单元的整体转轴建立的有限元模型,得到系统的动力学方程。而后采用打靶法和Floquet稳定性判别理论对系统进行分析求解,得到了计入接触界面影响后系统的稳定性边界和分叉形式,数值结果表明接触界面对不平衡组合转子的动力特性影响不可忽略。     

拉杆松弛对燃气轮机组合转子性能退化的影响

 组合转子作为燃气轮机的核心部件,其性能退化将对整个燃气轮机的性能产生重大影响,揭示组合转子性能退化机理并进行退化特征分析对燃气轮机的可靠运行具有重要意义．为揭示组合转子结构损伤导致的性能退化机理,考虑拉杆螺栓在高温下的应力松弛,得到基于时间历程的拉杆预紧力变化规律;通过拉杆预紧力定义组合转子退化量指标,评估组合转子的退化程度;计算轮盘界面接触刚度,进行考虑接触界面的组合转子动力学分析,进而得到燃气轮机组合转子不同退化量下的动力学特征．结果表明：温度是影响组合转子性能退化的敏感参数;拉杆松弛导致组合转子固有频率漂移,组合转子前3阶固有频率的降低率相差很小,并在一定范围内与退化量呈线性关系．     

带横向裂纹的拉杆转子非线性动力学特性研究

以拉杆转子为对象,对具有横向裂纹的拉杆转子非线性动力学响应特性进行研究。基于达朗贝尔原理建立考虑轮盘之间非线性接触特性的裂纹拉杆转子系统运动方程。采用数值积分方法对运动方程进行求解,得到轮盘振幅随转速变化的曲线。分析裂纹刚度减小量、轮盘质量偏心矢量夹角、接触面阻尼系数、裂纹角等系统参数对轮盘幅频特性的影响。同整体转子相比,裂纹拉杆转子除在1/2阶、1/3阶临界转速附近发生1/2阶、1/3阶亚谐共振外,在超临界转速区域存在超谐共振。系统参数对裂纹拉杆转子幅频特性曲线影响较大。分析结果可为认识裂纹转子系统的响应特性、开展裂纹转子的故障诊断提供理论指导。     

粗糙度和预紧力对拉杆转子轮盘接触面静摩擦系数的试验研究

为探究拉杆转子轮盘接触面间静摩擦系数的变化规律,根据分形接触理论对拉杆转子轮盘结合面的实际接触状态进行理论分析。针对不同粗糙度等级和不同拉杆预紧力影响下的拉杆转子轮盘接触面静摩擦系数进行数值仿真计算和试验研究工作。试验研究发现,静摩擦系数随法向载荷的增大而减小。试验测量轮盘端面的粗糙度,发现粗糙度较小或较大时,静摩擦系数的大小与粗糙度成反比;当粗糙度位于某一范围时,静摩擦系数的大小与粗糙度成正比。但分形接触理论认为,结合面间的静摩擦系数随法向载荷的增大而增大。所以分形接触理论不适用于粗糙度较大、法向力较小的场合,接触面静摩擦系数的机理有待进一步研究,分形接触理论有待完善。     

结合面切向接触刚度的概率统计模型

该文考虑结合面上微凸体接触为椭圆形接触, 运用弹性力学空间半无限体受载荷变形理论, 并根据椭圆形接触面上压力分布的Hertz理论, 推导出椭圆形接触面的长、短半轴计算式和单个微凸体接触时的切向接触刚度表达式. 建立了结合面上微凸体椭圆形接触面的长、短半轴呈二维正态分布、高度呈正态分布情况下的宏观切向接触刚度模型, 得到了相应的宏观切向接触刚度表达式. 通过数值计算给出了切向接触刚度随结合面的法向载荷、切向载荷、椭圆微凸体的离心率、微凸体分布的相关系数、微凸体测量高度和微凸体分布的标准方差等各影响因素的变化情况, 增大法向载荷可以提高结合面的切向接触刚度, 而切向载荷的增大会导致切向接触刚度的 减小.     

含润滑介质的正交各向异性结合面接触特性研究

提出了一种含润滑介质的正交各向异性结合面法向接触刚度的分形模型。该模型基于含椭圆修正因子的Hertz接触理论，并根据考虑润滑介质的侧向泄漏的平均雷诺方程，推导出固体接触刚度与流体刚度之间的解析关系。通过分析不同因素对结合面的法向接触刚度的影响，发现当无量纲固体真实接触面积小于0.05时，结合面的法向接触刚度受流体刚度的影响较大。随着润滑介质发生侧向泄漏，固体真实接触面积逐渐增大，固体接触刚度对结合面的法向接触刚度的影响越来越显著。给定不同预紧力，对比试验与有限元仿真获得的前三阶固有频率，其最大相对误差为4.11%，证明本文构建的模型可以准确地预测结合面的接触性能。     

裂纹拉杆转子连接界面非线性建模与多参数演变规律研究

针对含拉杆裂纹的转子非线性振动现象,基于Paris裂纹扩展规律,建立了裂纹拉杆刚度模型;以界面接触刚度表征拉杆预紧作用,建立了轮盘接触刚度模型;采用Capone短轴承模型,完成了含拉杆裂纹的转子连接界面非线性动力学建模。通过系统Poincare截面分析发现,在转速与偏心多因素影响下得到的e-n分岔集中,系统在倍周期分岔与拟周期分岔之间交替变化;在裂纹扩展与转速的η-n分岔集中,解的分岔点分布不连续;不同转速下,位移随裂纹扩展的分岔轨迹比较复杂,拉杆裂纹的存在会加速或减缓分岔点的出现。结果表明:拉杆裂纹对转子稳定性作用机理受系统参数集的影响。研究结论对拉杆转子的参数设计与故障识别有一定意义。     

基于损伤力学的周向拉杆转子整体疲劳损伤研究

周向拉杆转子作为燃气轮机等重大装备的核心部件,疲劳损伤是导致其失效和性能退化的主要原因之一。目前对疲劳损伤的研究均是针对单个元件,而仅从单个元件的损伤依然无法预测整个周向拉杆转子的损伤。以某型燃气轮机周向拉杆转子为研究对象,考虑周向拉杆转子燃烧室损伤和透平端拉杆损伤对周向拉杆转子整体损伤的影响,建立了周向拉杆转子整体疲劳损伤模型。通过对周向拉杆转子轮盘间接触效应的等效,建立了考虑虚拟材料层的周向拉杆转子动力学模型,得到了周向拉杆转子各组成部分刚度及其整体等效刚度;运用损伤力学及有限元分析,提出了周向拉杆转子整体疲劳损伤建模方法,得出周向拉杆转子的整体疲劳损伤及元件损伤与致裂寿命的关系。结果表明:所建立的损伤模型将周向拉杆转子整体损伤和致裂寿命视作一个复杂、非线性的过程,考虑了多元件损伤的影响,可清楚反映多元件损伤与整体损伤的非线性关系。研究结论为周向拉杆转子结构设计和寿命预测等提供了理论参考。     

级间接触耦合的失谐叶盘模态局部化问题研究

基于有限元实体建模方法,建立了燃气轮机拉杆转子中两级叶盘系统有限元模型,分析比较了有无级间接触耦合作用下叶盘系统的模态特性,重点研究了轮盘级间接触耦合效应对叶盘系统频率转向特性的影响。研究表明,级间接触耦合作用下出现了叶盘耦合振动的复杂振动形式,振动能量不再局限于单级叶盘;级间耦合作用导致叶盘系统的频率转向特性发生改变,频率转向区内的模态不再高度密集,降低了叶盘系统对失谐的敏感度。建立了叶片刚度失谐的两级叶盘系统有限元模型并进行模态分析,结果显示失谐叶盘系统模态局部化程度较低。     

颗粒弹塑性碰撞理论模型

以Hertz弹性接触力学为基础,假设材料为弹塑性强化材料,并考虑接触压力作用下颗粒球体接触面上材料进入塑性阶段后的应力调整与释放,提出了一种新的颗粒弹塑性接触理论。以此为基础,在准静态假设的基础上,研究了颗粒间的弹塑性碰撞问题,推导了相应的计算公式,并与其它弹塑性接触模型进行了比较。结果表明:按照该文模型预测的荷载变位曲线介于Hertz弹性解和Thornton解之间;强化系数越高,荷载变位曲线越接近Hertz弹性解,强化系数越低,越接近Thornton解,Thornton模型为该文模型的一个特例。在颗粒弹塑性碰撞过程中,本文理论预测的冲击力远远小于Hertz弹性解的预测结果,更与实际情况相符。     

轮盘蠕变引起的组合转子性能退化特性研究

燃气轮机组合转子因长期承受较大的离心应力及较高的温度,其性能易发生退化.轮盘蠕变是引起组合转子性能退化的重要因素之一,为研究轮盘蠕变引起的组合转子性能退化特性,首先建立了考虑轮盘结合面刚度的组合转子轮盘蠕变计算模型,研究组合转子蠕变效应,得到组合转子不同轮盘蠕变随时间变化的定量数据;然后,提出了轮盘蠕变引起组合转子性能退化的研究方法,通过定义组合转子性能退化指标,得到轮盘蠕变引起组合转子性能退化的轨迹,实现其性能退化的定量评估;最后,研究不同转速、拉杆数目下轮盘蠕变引起组合转子性能退化速率的变化规律.结果表明:在高温、高转速作用下,组合转子轮盘将会发生蠕变,透平端第1级蠕变速率最快;轮盘蠕变会引起组合转子性能退化,转速越大、拉杆数目越多,组合转子退化速率越快.因此,在对组合转子进行结构及系列化设计时必须考虑轮盘蠕变的影响,特别在改变转速、拉杆数目时,其影响不容忽视.     

拉杆结构中弹簧刚度和有限元模型刚度融合修正方法研究

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的盘与盘、拉杆与盘之间接触的力学模型进行研究,重构了接触部位的有限元模型。提出弹簧刚度矩阵和有限元模型刚度矩阵的融合修正方法,建立了包含接触的有限元刚度整体优化模型。运用拉直算子将优化模型中需要修正的参数分离出来,结合实验模态分析得到的模态参数对有限元刚度矩阵进行了修正。实例证明修正后的有限元模型真实反映了拉杆联接的航空发动机高压转子的接触状态。     

拉杆转子扭转振动研究

以往对拉杆转子的研究多以连续整体转子对待,模型精度不高,为此,将拉杆转子非连续界面上的接触效应考虑在内,运用键合图法建立了拉杆转子扭转振动的动力学模型,并对接触面当量扭转刚度的影响因素作了相关分析。结合一实验拉杆转子对其扭转振动进行了理论计算与实测对比,分析了不同预紧力作用下拉杆转子与连续整体转子扭转振动的固有频率,并将预紧力为4000N时拉杆转子与连续转子的模态振型进行了对比。结果表明,该拉杆转子扭振模型不仅具有更高的精度,而且它通过接触面的扭转变形从本质上体现了拉杆转子与连续转子的区别,为今后对拉杆转子的进一步研究奠定了基础。     

含硬涂层结构的表面微观接触新模型

为研究含有硬涂层的粗糙表面中微凸体和基体变形对表面微观接触特性的影响规律,利用Hertz接触理论分别求出微凸体和基体的接触刚度,利用不动点迭代法确定微凸体变形量,建立关于微凸体接触变形量的刚度模型,通过并联关系耦合接触刚度,建立新的接触表面微观接触模型。为验证新模型对含有硬涂层的粗糙表面接触特性描述的正确性,建立了不同大小和不同材料的单微凸体有限元模型,通过与Hertz模型、有限元分析结果比较,发现当基体材料和微凸体材料不同时,微凸体/基体系统的应力分布会不均匀,微凸体表面的接触力比材料相同时的接触力小,最大应力比材料相同时的最大应力大;在变形量很小的时候,Hertz模型解和新模型解都很好地与有限元分析结果相吻合,随着变形量的变大,有限元分析解和新模型解开始同时偏离Hertz模型解,但新模型解一直趋近于有限元分析解。     

预紧饱和下盘式周向拉杆转子-轴承系统动力学特性分析及实验研究

盘式周向拉杆转子是由周向均布的多根拉杆将若干级轮盘预紧而成的组合单轴式转子,其设计、制造和装配都极其复杂。为验证其设计方法和考查其与整体单轴式转子差异,搭建了盘式周向拉杆转子-轴承系统实验台。考查了预紧饱和状态下转子启动、低速、超一阶临界转速等几种运行情况,分析了不同转速运行时轴承座、转子轴颈和不同轮盘处的振动信号,绘制了盘式周向拉杆转子-轴承系统的波德图、轴心轨迹图和瀑布图。计算和实验结果表明,预紧饱和状态下盘式周向拉杆转子具有与整体单轴式转子相似的动力学特性,实验中还出现了系统不对称刚度所导致的转子反向涡动。     

基于接触分析的转定子系统整周碰摩故障模拟

以一个单跨双盘柔性转子系统为研究对象,建立转子系统的有限元模型,基于接触动力学理论,将转子和定子简化为一个点-点接触单元,通过转定子间的圆形间隙变化来模拟转定子的分离及整周接触,并通过碰摩力耦合转定子模型,采用增广的拉格朗日方法处理接触约束条件,用库仑摩擦模型模拟转定子之间摩擦,考虑不同转速、转定子间隙、转定子法向接触刚度、阻尼和摩擦系数对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:转速和转定子法向接触刚度对系统响应影响最大,转定子法向接触阻尼和摩擦系数次之,转定子间隙影响最小。