拉杆疲劳裂纹导致的组合转子性能退化研究

 组合转子作为燃气轮机等的核心部件,其性能退化机理并不明确,揭示其性能退化机理并有效地进行性能退化评估对燃气轮机等长期安全运行具有重要意义.为此,从结构损伤导致性能退化的角度出发,分析拉杆裂纹引起的组合转子性能退化特性.分别建立了组合转子有限元模型和弯曲、扭转刚度模型,利用有限元模型对拉杆上含初始裂纹的组合转子进行裂纹扩展分析,得到拉杆裂纹扩展速率;利用弯曲和扭转刚度模型分析了不同深度的裂纹对组合转子振动的影响,得到组合转子固有频率随裂纹尺寸的变化规律;并提出了衡量由微裂纹导致的组合转子性能退化的度量指标,实现了拉杆裂纹引起的组合转子性能退化的定量评估.研究表明：随着拉杆裂纹尺寸的增大,裂纹的扩展速率变快;拉杆裂纹的存在对组合转子的弯振影响较大,对扭振影响相对较小.     

组合转子解析建模与拉杆蠕变导致的退化研究

以铁木辛柯梁理论为基础建立集中参数解析模型,并以结构局部损伤将引起系统退化为切入点,研究拉杆蠕变松弛引起的组合转子退化特性。考虑拉杆螺栓的应力松弛与接触界面的影响,并对接触界面等效处理,对组合转子进行动力学分析,得到组合转子固有频率随时间的变化规律;通过定义组合转子频率相对降低量作为固有频率特性退化量参数,实现了组合转子退化的定量评估,从理论上得出由拉杆蠕变松弛引起的组合转子固有频率特性退化量随时间的函数曲线。     

频繁启停过程中拉杆微裂纹引起的组合转子性能退化研究

燃气轮机的性能下降很大程度上是由于燃机的核心部件——组合转子的退化导致的,因此,非常有必要重点研究组合转子的性能退化规律.组合转子局部结构的损伤,必将导致整体性能的下降.从该角度出发,建立组合转子的有限元模型,对组合转子拉杆裂纹进行扩展计算,定义组合转子性能退化量,分析了不同尺寸的拉杆裂纹对转子性能退化的影响.研究结果表明:随着裂纹尺寸的逐渐增加,组合转子的退化速率逐渐加快;不同微裂纹拉杆的分布形式对组合转子退化程度影响不同,当微裂纹拉杆相邻分布时组合转子退化速率最快,裂纹拉杆180°分布时组合转子退化速率最慢.     

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。     

对中缺陷对拉杆组合转子的动力学影响

基于静动联合分析方法,研究了三维拉杆转子中对中缺陷所造成的影响.通过使用三维有限元法和牛顿迭代法,说明了含缺陷拉杆转子的静动力学特性.对中缺陷导致了复杂的不平衡现象,包括质心偏移和随速度而改变的转子弯曲,而转子弯曲则明显降低了转子的稳定性,加大了其振幅.无论是否施加了动平衡,拉杆转子的弯曲特性决定了其振幅在超过临界转速...     

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.     

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。     

拉杆松弛导致预紧失谐组合转子性能退化研究

由结构损伤导致性能退化角度出发,分析拉杆松弛引起的预紧失谐组合转子性能退化特性。利用跨尺度计算方法获得轮盘界面接触刚度并对接触界面等效处理,提出考虑粗糙界面及预紧的组合转子动力学建模方法。在此基础上进行组合转子动力学分析,获得组合转子固有频率随时间变化规律;建立以组合转子频率相对降低量表征其性能退化量的定量评估方法,对退化数据进行处理并描述组合转子退化轨迹,实现拉杆松弛引起的组合转子性能退化定量评估;对初始预紧失谐程度相同的组合转子进行不平衡响应分析,获得预紧失谐组合转子退化特征。结果表明,组合转子性能退化量参数服从指数函数分布,负失谐对组合转子不平衡响应影响较大。     

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。     

The effect of crystallographic orientation on the natural vibration spectrum and fatigue limit of turbine rotor blades made of monocrystalline materials

Based on 3D models of rotor blades made of monocrystalline materils, the influence of crystallographic orientation of material axes on the formation of natural frequency spectrum and mode shapes of the blades has been clarified. A computational-experimental method is proposed for the evaluation of fatigue limit of monocrystalline blades, which significantly reduces the test scope while improving the reliability of test results. __________ Translated from Problemy Prochnosti, No. 5, pp. 15–27, September–October, 2008.     

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。     

Study of microstructure degradation and rejuvenation evolution for F-class gas turbine blade

Service degradation of F-class gas turbine blade and its microstructure evolution during a simple rejuvenation process are investigated, and then microhardness of the rejuvenated blade is evaluated. The results show that the turbine blade suffers from significant service degradation such as spheroidising, coarsening and rafting of the γ′ phase. It is also verified that the γ′ precipitates microstructure could be recovered and even improved by a full solution followed by two-step aging. The proper solution temperature is necessary to dissolve the deformed γ′ precipitates and allows optimum reprecipitation during next aging. The microstructure of the rejuvenated blade all shows bimodal distribution with coarse and fine γ′ precipitates. The microhardness is higher and more uniformly distributed than that of the service-exposed blade.