飞机维修（发动机维修）专业毕业设计
燃气轮机动力涡轮组件强度分析
摘：燃气轮机动力涡轮组件燃气轮机组件仅工作温度高承受燃气轮机起动停机时温度剧烈变化引起热击工作条件恶劣涡轮组件决定燃气轮机寿命关键部件确保足够寿命文重点某型燃气轮机低压涡轮压气机转子叶片强度特性进行分析验证稳定性性文sam ceffield软件转子动力学分析模块该转子叶片进行分析计算根机组实际运行条件计算该机组转子具较界转速稳态衡响应叶片丢失瞬态响应等计算结果表明．界转速安全系数合理转子系统选取衡量具较振动幅值转子瞬态响应结果验证结构方案合理性转子系统具较稳定性出转子结构方案保证低压涡轮压气机稳定运行结燃气轮机性维修性保障性提供参考
关键词：低压涡轮强度转速振动性
1 前言
世纪二十年代德国霍尔茨瓦特制成第台实燃气轮机效率13功率370千瓦燃气轮机逐渐进入生活领域燃气轮机汽轮机发电机电动机等典型旋转机械转子作工作体转子连轴承支座等称转子支承系统机组运转时．转子系统常常发生振动振动产生噪声降低机组工作效率严重振动会导致转子断裂造成重危害转子支承系统振动样包括转轴扭曲振动弯曲振动轮盘叶片振动等转轴振
动较复杂牵涉素较转子动力学转轴弯曲振动作研究象
转子衡量引起振动属强迫振动角频率转动角速度相等高速转子衡质量引起振动外频率转动角速度相等振动称涡动转子连接件配合面摩擦转轴阻轴承油膜力密封引起气动力等产生涡动素理转轴种涡动属激振动[1]涡动甚破坏转轴轴承
文研究象该型燃气轮机低压涡轮压气机转子叶片通转子支承建模sam cef专业转子动力学分析软件采限元素法分析转子动力学特性包括转子界转速计算稳态衡响应分析转子稳定性分析等验证工程应方面性性时出分析动力学特性基方法结
2 结构简介
该型燃气轮机低压涡轮压气机转子呈轴流轮毂式整体结构9级低压压气机l级低压涡轮组成低压压气机低压涡轮问通低压涡轮轴连接花键传递扭矩（见图1）0～8级低压压气机轮盘叶片材料钛合金低压涡轮盘叶片材料高温合金低压涡轮轴材料马氏体锈钢低压涡轮压气机转子呈3点支承结构前支承采径止推滚珠轴承支承点位压气机o级轮盘前段弹性支承挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成中间支承采滚柱轴承．挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成支承点位低压压气机轴径段支承采滚柱轴承弹性支承挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成支承点位低压涡轮轴段
3 计算模型
该型燃机低压涡轮压气机转子3d模型较导致网格划分计算程中花费量时间机组计算采2d轴称模型总体直角坐标系建立二维轴称单元种类3节点高阶6节点三角形单元4节点高阶8节点四边形单元节点9度前6度梁单元样分旋转轴线方拉伸扭转弯曲引起2方线位移角位移外3度旋转轴横截面变形关分拉伸引起径位移弯曲引起2切位移时．类单元模拟转子涡动效应
建立总体直角坐标系（xyz）局部圆柱坐标系(e1ze2)设定(u1u2u3ø1ø2ø3)局部坐标系位移分量0傅立叶级数展开：
式中：n波数 m相数谐函数(nm)应1结构基变形[2]
低压涡轮压气机转子压气机叶盘间连接方式焊接螺栓紧固．涡轮叶盘涡轮轴间螺栓紧固方式连接低压压气机低压涡轮轴间连接花键进行整体建模低压涡轮压气机转子叶片较长质量转动惯量会产生较离心力回转力矩种回转效应会转子界转速产生较影响．叶片等效简化集中质量加计算模型中
4 计算容
41 支承刚度阻尼计算
现代航空发动机高速转子系统采柔轴设计发动机工作转速高转子系统界转速该型燃机低压涡轮压气机转子采种设计理念转子界转速时挠
度传递率知类转子工作界转速者通界转速时振幅正衡量转子界角速度反阻尼系数[3]显然柔轴类转子系统采取适措施减转子衡量降低界转速增阻尼达减转子振动幅值目发动机总体结构设计已确定前提采弹性支承者阻尼器者两者兼成效行方法该型燃机低压涡轮压气机转子采种减振方式机组采弹性支承谓低刚性弹性支承转子通界转速时振幅通轴承座外传载荷均转子工作低阶界转速确定该型燃机低压压气机转子支承刚度计算转子支承系统界转速必需前提条件
411 前支承刚度阻尼计算
低压压气机转子前支承位0级轮盘前段鼠笼式弹性支撑挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成
1）滚珠轴承刚度[4]
式中：k1xx径刚度fr径外力n滚珠数量d滚珠直径β接触角
2）鼠笼川度
限元法计算鼠笼静刚度
3)挤压油膜阻尼器刚度阻尼计算
转子支承系统采挤压油膜阻尼器便会出现油膜刚度油膜阻尼分析动力特性时转子支承系统身刚度外计油膜刚度油膜阻尼远远转子支承系统阻尼存油膜阻尼时阻尼甚忽略计．前支承说油膜阻尼支承系统阻尼结构分析前支承阻尼器应短轴承半油膜计算
4）前支承总刚度阻尼
nm
n*sm
412 中支承刚度阻尼计算
中间支承位压气机轴颈段挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成
1）滚珠轴承刚度计算
式中：k1xx径刚度fr径外力n滚珠数量l滚子效长度β接触角
2）中间轴承总刚度总阻尼计算
nm
n*sm
413 支承刚度阻尼计算
支承位低压涡轮轴段弹性支承挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成
支承总刚度总阻尼计算：
nm
n*sm
42 低压涡轮压气机转子界转速计算
低压涡轮压气机转子低压压气机转子低压涡轮转子组成轴系．掌握轴系厂卜单独转子动力学特性分析整体轴系动力学特性十分必低压涡轮前端花键低压压气机轴径相连接低压轴径中问轴承作前支承点低压涡轮没独立前支承没单独计算低压涡轮转子界转速必计算整体轴系界转速前．首先低压压气机转子进行界转速计算分析
421 材料属性
低压涡轮压气机转子种体材料结构组成2种材料属性分进行定义低压压气机轮盘材料钛合金低压压气机轴径马氏体锈钢低压涡轮轴马氏体锈钢低压涡轮高温合金分计算低压压气机叶片低压涡轮转子叶片等效质量等效转动惯量．集中质量方式加载(见图2)
图2 施加项边界条件转子
422 计算结果分析
1）计算结果
低压涡轮压气机转子界转速计算结果表1示13阶界转速振型（图3图5）示
2）结果分析
低压涡轮压气机慢车转速n12400r／min工作转速n7700 r／min根文计算结果知
界转速安全系数：
k1np1n13680／2400l53
k2np2n012330／7700160
超速时界转速安全系数：
k2’np2(n0×115)12330(7700×115)139
43 稳态谐波响应分析
稳态衡响应计算转子动力学分析中界转速计算等重基木务稳态衡响应分析确定系统界转速更重务求解转子系统中存衡量作转子支承系统稳态衡响应．分析研究采取措施限制衡响应减衡响应
转速衡响应干振型线性叠加着转速改变某阶振型阶振型渡衡量分布规律改变引起稳态衡响应变化仅仅量变化会引起相应振型变化稳态衡响应计算界转速计算提供更信息转子激振力转子转速振动幅值转速方成例分析该转子衡响应掌握衡量作动态响应特性非常重
431 计算模型
g1级精度确定低压涡轮转子单位质量允许剩余衡量加重位置位第o级压气机轮盘涡轮盘．第0级压气机轮盘衡量254g涡轮盘衡量l37g
432 计算结果
衡响应计算结果中转子计算频域范围响应值时工作转速范围响应值响应值包括相变形相旋转角度
44 瞬态响应分析
转子系统瞬态响应分析转子系统衡突然变化作转子系统外载荷突然变化转子系统变转速工作等情况．转子系统响应分析．包括转子系统位移变形支承结构传递载荷分布带挤压油膜阻尼器转子系统机动载荷作响应需进行瞬态分析飞机机动飞行时引起机动载荷(陀螺力矩惯性力）通常静载处理计机动载荷作转子结构静位移带挤压油膜阻尼器转子系统需瞬态响应分析方法分析该击载荷作阻尼器承载力抑制失稳力外支承异性带非心型挤压油膜阻尼器转子系统需采瞬态响应分析方法求稳态响应特性
低压涡轮压气机转子计算模型计刚性计质量柔性轴轴中央具质量偏心单盘轴两端称安装刚性支承盘质心坐标xcyc固定坐标xy关系：
转子受衡力作外受加速减速引起惯性力作固定坐标系统转子系统运动方程：
式中：mck分盘质量系统外阻尼轴刚度w转角速度α角加速度e质量偏心距
求解瞬态响应问题数学结求解初值问题整系统位移速度必须初始瞬时值确定初始值开始取适时间步长时域积分系统动力稳定瞬态程消失系统周期激振力作产生周期运动稳态响应果系统稳定．瞬态响应会消失会时间增长．非系统中非线性参数作．形成谓极限圆瞬态响应分析求解非线性动力学问题种效方法判定系统稳定性重方法
文叶片丢失转子系统进行瞬态响应计算转子系统叶片折断丢失时响应加减速程衡响应瞬态响应转子瞬态响应分析转子动力学分析计算项重容分析叶片丢失时转子突加衡响应．模态坐标运动方程分析求响应转变物理坐标响应突加衡量离心力表示：
（面 ）
（面 ）
式中：u(t)单位阶跃函数
转子变速程通常似等加速等减速程时：
式中：&转子转角w0初始角速度
运动方程式进行直接积分求系统变速时衡响应时式中油膜耦合力应采瞬态力表达式衡离心力表达式改：
（面 ）
（面 ）
离心力f应根衡量相位置确定[5]
瞬态响应计算结果中转子计算时域范围支承点叶片丢失点响应值中包括位移速度加速度等轴心轨迹等数计算结果中转子稳定性结时计算时域响应变化曲线等
5 结
1)界转速计算结
文计算该型燃机低压涡轮压气机转子慢车转速界转速安全系数153全工况工作转速界转速安全系数160超速时界转速安全系数139见结构方案满足低压涡轮压气机转子稳定运行求．较高裕度
2)衡响应计算结
工作频率范围转子动态响应较变形o．055mm（625h z)证明改进技术研究达预期效果精度程度提高低压涡轮压气机转子选取衡精度合理时具较振动幅值
3)瞬态响应计算结
分析转子0转速升工作转速程中第0级叶片丢失状态转子瞬态响应转轴心轨迹判断转子系统稳定形成稳态圆轨迹转子振动幅值响应系统阻尼间隙范围
分析证明该转子系统设计合理转子结构方案保证低压涡轮压气机稳定运行
参考文献
[1] 顾xx等转子动力学[m]北京国防工业出版社1985
[2] 梅xx二维限元模型燃气轮机转子支承系统界转速计算中应 [j]燃气涡轮实验研究XX16（3）：4244
[3] 钟xx转子动力学[m]北京：清华学出版社1987
[4] 航空发动机设计手册总编委会航空发动机设计手册（第19册）[m]北京：航空工业出版社XX
[5] 闻xx高等转子动力学[m]．北京：机械工业出版社1999
致 谢
文丁xx老师悉心指导完成丁老师蔼亲更严谨治学态度博学专业知识折服丁老师日里工作繁做毕业设计阶段查阅资料设计草案确定修改中期检查期详细设计数处理等整程中予悉心指导丁老师专业水外治学严谨科学研究精神永远学榜样积极影响学工作
文利完成仅离开位老师位学朋友关心帮助特宋
xx学梁xx学次真诚位帮助老师学表示感谢真心祝愿老师工作利幸福美满祝位学前程似锦梦想成真
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燃气轮机动力涡轮组件强度分析
摘：燃气轮机动力涡轮组件燃气轮机组件仅工作温度高承受燃气轮机起动停机时温度剧烈变化引起热击工作条件恶劣涡轮组件决定燃气轮机寿命关键部件确保足够寿命文重点某型燃气轮机低压涡轮压气机转子叶片强度特性进行分析验证稳定性性文sam ceffield软件转子动力学分析模块该转子叶片进行分析计算根机组实际运行条件计算该机组转子具较界转速稳态衡响应叶片丢失瞬态响应等计算结果表明．界转速安全系数合理转子系统选取衡量具较振动幅值转子瞬态响应结果验证结构方案合理性转子系统具较稳定性出转子结构方案保证低压涡轮压气机稳定运行结燃气轮机性维修性保障性提供参考
关键词：低压涡轮强度转速振动性
1 前言
世纪二十年代德国霍尔茨瓦特制成第台实燃气轮机效率13功率370千瓦燃气轮机逐渐进入生活领域燃气轮机汽轮机发电机电动机等典型旋转机械转子作工作体转子连轴承支座等称转子支承系统机组运转时．转子系统常常发生振动振动产生噪声降低机组工作效率严重振动会导致转子断裂造成重危害转子支承系统振动样包括转轴扭曲振动弯曲振动轮盘叶片振动等转轴振
动较复杂牵涉素较转子动力学转轴弯曲振动作研究象
转子衡量引起振动属强迫振动角频率转动角速度相等高速转子衡质量引起振动外频率转动角速度相等振动称涡动转子连接件配合面摩擦转轴阻轴承油膜力密封引起气动力等产生涡动素理转轴种涡动属激振动[1]涡动甚破坏转轴轴承
文研究象该型燃气轮机低压涡轮压气机转子叶片通转子支承建模sam cef专业转子动力学分析软件采限元素法分析转子动力学特性包括转子界转速计算稳态衡响应分析转子稳定性分析等验证工程应方面性性时出分析动力学特性基方法结
2 结构简介
该型燃气轮机低压涡轮压气机转子呈轴流轮毂式整体结构9级低压压气机l级低压涡轮组成低压压气机低压涡轮问通低压涡轮轴连接花键传递扭矩（见图1）0～8级低压压气机轮盘叶片材料钛合金低压涡轮盘叶片材料高温合金低压涡轮轴材料马氏体锈钢低压涡轮压气机转子呈3点支承结构前支承采径止推滚珠轴承支承点位压气机o级轮盘前段弹性支承挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成中间支承采滚柱轴承．挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成支承点位低压压气机轴径段支承采滚柱轴承弹性支承挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成支承点位低压涡轮轴段
3 计算模型
该型燃机低压涡轮压气机转子3d模型较导致网格划分计算程中花费量时间机组计算采2d轴称模型总体直角坐标系建立二维轴称单元种类3节点高阶6节点三角形单元4节点高阶8节点四边形单元节点9度前6度梁单元样分旋转轴线方拉伸扭转弯曲引起2方线位移角位移外3度旋转轴横截面变形关分拉伸引起径位移弯曲引起2切位移时．类单元模拟转子涡动效应
建立总体直角坐标系（xyz）局部圆柱坐标系(e1ze2)设定(u1u2u3ø1ø2ø3)局部坐标系位移分量0傅立叶级数展开：
式中：n波数 m相数谐函数(nm)应1结构基变形[2]
低压涡轮压气机转子压气机叶盘间连接方式焊接螺栓紧固．涡轮叶盘涡轮轴间螺栓紧固方式连接低压压气机低压涡轮轴间连接花键进行整体建模低压涡轮压气机转子叶片较长质量转动惯量会产生较离心力回转力矩种回转效应会转子界转速产生较影响．叶片等效简化集中质量加计算模型中
4 计算容
41 支承刚度阻尼计算
现代航空发动机高速转子系统采柔轴设计发动机工作转速高转子系统界转速该型燃机低压涡轮压气机转子采种设计理念转子界转速时挠
度传递率知类转子工作界转速者通界转速时振幅正衡量转子界角速度反阻尼系数[3]显然柔轴类转子系统采取适措施减转子衡量降低界转速增阻尼达减转子振动幅值目发动机总体结构设计已确定前提采弹性支承者阻尼器者两者兼成效行方法该型燃机低压涡轮压气机转子采种减振方式机组采弹性支承谓低刚性弹性支承转子通界转速时振幅通轴承座外传载荷均转子工作低阶界转速确定该型燃机低压压气机转子支承刚度计算转子支承系统界转速必需前提条件
411 前支承刚度阻尼计算
低压压气机转子前支承位0级轮盘前段鼠笼式弹性支撑挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成
1）滚珠轴承刚度[4]
式中：k1xx径刚度fr径外力n滚珠数量d滚珠直径β接触角
2）鼠笼川度
限元法计算鼠笼静刚度
3)挤压油膜阻尼器刚度阻尼计算
转子支承系统采挤压油膜阻尼器便会出现油膜刚度油膜阻尼分析动力特性时转子支承系统身刚度外计油膜刚度油膜阻尼远远转子支承系统阻尼存油膜阻尼时阻尼甚忽略计．前支承说油膜阻尼支承系统阻尼结构分析前支承阻尼器应短轴承半油膜计算
4）前支承总刚度阻尼
nm
n*sm
412 中支承刚度阻尼计算
中间支承位压气机轴颈段挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成
1）滚珠轴承刚度计算
式中：k1xx径刚度fr径外力n滚珠数量l滚子效长度β接触角
2）中间轴承总刚度总阻尼计算
nm
n*sm
413 支承刚度阻尼计算
支承位低压涡轮轴段弹性支承挤压油膜阻尼器滚珠轴承组成
支承总刚度总阻尼计算：
nm
n*sm
42 低压涡轮压气机转子界转速计算
低压涡轮压气机转子低压压气机转子低压涡轮转子组成轴系．掌握轴系厂卜单独转子动力学特性分析整体轴系动力学特性十分必低压涡轮前端花键低压压气机轴径相连接低压轴径中问轴承作前支承点低压涡轮没独立前支承没单独计算低压涡轮转子界转速必计算整体轴系界转速前．首先低压压气机转子进行界转速计算分析
421 材料属性
低压涡轮压气机转子种体材料结构组成2种材料属性分进行定义低压压气机轮盘材料钛合金低压压气机轴径马氏体锈钢低压涡轮轴马氏体锈钢低压涡轮高温合金分计算低压压气机叶片低压涡轮转子叶片等效质量等效转动惯量．集中质量方式加载(见图2)
图2 施加项边界条件转子
422 计算结果分析
1）计算结果
低压涡轮压气机转子界转速计算结果表1示13阶界转速振型（图3图5）示
2）结果分析
低压涡轮压气机慢车转速n12400r／min工作转速n7700 r／min根文计算结果知
界转速安全系数：
k1np1n13680／2400l53
k2np2n012330／7700160
超速时界转速安全系数：
k2’np2(n0×115)12330(7700×115)139
43 稳态谐波响应分析
稳态衡响应计算转子动力学分析中界转速计算等重基木务稳态衡响应分析确定系统界转速更重务求解转子系统中存衡量作转子支承系统稳态衡响应．分析研究采取措施限制衡响应减衡响应
转速衡响应干振型线性叠加着转速改变某阶振型阶振型渡衡量分布规律改变引起稳态衡响应变化仅仅量变化会引起相应振型变化稳态衡响应计算界转速计算提供更信息转子激振力转子转速振动幅值转速方成例分析该转子衡响应掌握衡量作动态响应特性非常重
431 计算模型
g1级精度确定低压涡轮转子单位质量允许剩余衡量加重位置位第o级压气机轮盘涡轮盘．第0级压气机轮盘衡量254g涡轮盘衡量l37g
432 计算结果
衡响应计算结果中转子计算频域范围响应值时工作转速范围响应值响应值包括相变形相旋转角度
44 瞬态响应分析
转子系统瞬态响应分析转子系统衡突然变化作转子系统外载荷突然变化转子系统变转速工作等情况．转子系统响应分析．包括转子系统位移变形支承结构传递载荷分布带挤压油膜阻尼器转子系统机动载荷作响应需进行瞬态分析飞机机动飞行时引起机动载荷(陀螺力矩惯性力）通常静载处理计机动载荷作转子结构静位移带挤压油膜阻尼器转子系统需瞬态响应分析方法分析该击载荷作阻尼器承载力抑制失稳力外支承异性带非心型挤压油膜阻尼器转子系统需采瞬态响应分析方法求稳态响应特性
低压涡轮压气机转子计算模型计刚性计质量柔性轴轴中央具质量偏心单盘轴两端称安装刚性支承盘质心坐标xcyc固定坐标xy关系：
转子受衡力作外受加速减速引起惯性力作固定坐标系统转子系统运动方程：
式中：mck分盘质量系统外阻尼轴刚度w转角速度α角加速度e质量偏心距
求解瞬态响应问题数学结求解初值问题整系统位移速度必须初始瞬时值确定初始值开始取适时间步长时域积分系统动力稳定瞬态程消失系统周期激振力作产生周期运动稳态响应果系统稳定．瞬态响应会消失会时间增长．非系统中非线性参数作．形成谓极限圆瞬态响应分析求解非线性动力学问题种效方法判定系统稳定性重方法
文叶片丢失转子系统进行瞬态响应计算转子系统叶片折断丢失时响应加减速程衡响应瞬态响应转子瞬态响应分析转子动力学分析计算项重容分析叶片丢失时转子突加衡响应．模态坐标运动方程分析求响应转变物理坐标响应突加衡量离心力表示：
（面 ）
（面 ）
式中：u(t)单位阶跃函数
转子变速程通常似等加速等减速程时：
式中：&转子转角w0初始角速度
运动方程式进行直接积分求系统变速时衡响应时式中油膜耦合力应采瞬态力表达式衡离心力表达式改：
（面 ）
（面 ）
离心力f应根衡量相位置确定[5]
瞬态响应计算结果中转子计算时域范围支承点叶片丢失点响应值中包括位移速度加速度等轴心轨迹等数计算结果中转子稳定性结时计算时域响应变化曲线等
5 结
1)界转速计算结
文计算该型燃机低压涡轮压气机转子慢车转速界转速安全系数153全工况工作转速界转速安全系数160超速时界转速安全系数139见结构方案满足低压涡轮压气机转子稳定运行求．较高裕度
2)衡响应计算结
工作频率范围转子动态响应较变形o．055mm（625h z)证明改进技术研究达预期效果精度程度提高低压涡轮压气机转子选取衡精度合理时具较振动幅值
3)瞬态响应计算结
分析转子0转速升工作转速程中第0级叶片丢失状态转子瞬态响应转轴心轨迹判断转子系统稳定形成稳态圆轨迹转子振动幅值响应系统阻尼间隙范围
分析证明该转子系统设计合理转子结构方案保证低压涡轮压气机稳定运行
参考文献
[1] 顾xx等转子动力学[m]北京国防工业出版社1985
[2] 梅xx二维限元模型燃气轮机转子支承系统界转速计算中应 [j]燃气涡轮实验研究XX16（3）：4244
[3] 钟xx转子动力学[m]北京：清华学出版社1987
[4] 航空发动机设计手册总编委会航空发动机设计手册（第19册）[m]北京：航空工业出版社XX
[5] 闻xx高等转子动力学[m]．北京：机械工业出版社1999
致 谢
文丁xx老师悉心指导完成丁老师蔼亲更严谨治学态度博学专业知识折服丁老师日里工作繁做毕业设计阶段查阅资料设计草案确定修改中期检查期详细设计数处理等整程中予悉心指导丁老师专业水外治学严谨科学研究精神永远学榜样积极影响学工作
文利完成仅离开位老师位学朋友关心帮助特宋
xx学梁xx学次真诚位帮助老师学表示感谢真心祝愿老师工作利幸福美满祝位学前程似锦梦想成真
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