涡轮叶片的三维弹性应力分析

论文摘要

涡轮叶片是燃气轮机十分重要的零部件,承受着复杂的循环热载荷及机械载荷,为了保证发动机在服役期间的稳定性和可靠性,迫切需要对涡轮叶片的强度进行计算,并对其寿命加以预测和控制。本文围绕涡轮叶片开展其强度研究工作。首先,在商用有限元软件ANSYS环境中建立了涡轮叶片的三维有限元应力分析模型。针对涡轮叶片不同位移边界条件的选取,进行了比较,选取了合适的边界条件,将位移边界条件施加在涡轮叶片的最下面一对榫齿面上,其余榫齿表面施加力边界条件。然后,对涡轮叶片在离心载荷和热载荷等多种载荷作用下,进行了热弹塑性应力(应变)计算。得到叶片在离心载荷及热负荷的联合作用下的应力分布情况:高应力区存在于叶身根部区域:叶片的最大应力值位于前缘叶身与缘板连接处气膜孔处;气膜孔处的等效应力值比相同半径下无孔部位的应力值要高;气膜孔对叶片应力水平的影响随着叶片半径的减小、叶片应力水平的增高而逐渐增大。本文还对过盈配合状态下的榫头、榫槽进行了接触应力分析,结果显示涡轮榫齿、榫槽处的应力水平较高。随着榫头、榫槽间过盈量的增大,榫头和榫槽接触面的接触应力逐渐增大,过盈量增大到一定程度时,榫槽和榫头最大应力会逐渐接近和超过其屈服极限,产生塑性变形。因此,应该合理选取过盈量,并将过盈配合纳入强度计算进行综合分析,使过盈配合既保证榫头、榫槽间有足够的摩擦力,保证榫头、榫槽不会相互脱离,又要保证满足结构强度的要求,并使其产生的不良影响减至最小。通过对涡轮叶片的应力分析的理论研究和数值计算,阐述了涡轮转子叶片弹性分析的研究方法。本方法的适应性较强,它可以计算燃气轮机、风机、汽轮机等多种动力装置的叶片强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 涡轮转子叶片强度分析的意义
• 1.3 叶片应力的分析方法
• 1.4 国内外叶片应力分析的研究现状
• 1.4.1 国外叶片应力分析的研究现状
• 1.4.2 国内叶片应力分析的研究现状
• 1.5 本文的主要内容和创新点
• 1.5.1 本文的主要内容
• 1.5.2 本文的创新点
• 2 涡轮叶片的三维有限元分析
• 2.1 有限元分析基本理论
• 2.1.1 有限元法的思想
• 2.1.2 有限元法求解过程
• 2.2 涡轮叶片的有限元应力分析原理
• 2.2.1 几何方程
• 2.2.2 本构方程
• 2.2.3 单元的形函数
• 2.2.4 单元刚度矩阵和总体刚度矩阵
• 2.2.5 变分公式
• 2.2.6 等效节点载荷
• 2.2.7 温度场
• 2.2.8 节点位移与应力计算
• 2.3 本章小结
• 3 涡轮叶片的应力计算与分析
• 3.1 涡轮叶片有限元模型的建立
• 3.1.1 实体模型的建立
• 3.1.2 ANSYS与UG的接口
• 3.1.3 单元类型的选择
• 3.1.4 网格划分
• 3.2 涡轮叶片的材料参数
• 3.3 计算载荷
• 3.3.1 离心载荷
• 3.3.2 温度载荷
• 3.3.3 气动载荷
• 3.4 边界条件
• 3.5 计算结果及分析
• 3.6 本章小结
• 4 榫头和榫槽的接触分析
• 4.1 引言
• 4.2 接触问题的基本理论
• 4.2.1 接触问题及其基本假定
• 4.2.2 接触状态分类
• 4.2.3 增量法求解接触问题
• 4.3 ANSYS软件中接触问题的分析方法
• 4.3.1 ANSYS中的接触类型和接触方式
• 4.3.2 ANSYS的接触求解技术
• 4.3.3 ANSYS的接触分析步骤
• 4.4 榫齿榫槽接触分析
• 4.4.1 接触分析问题模型的建立
• 4.4.2 材料参数
• 4.4.3 计算载荷与边界条件
• 4.4.4 计算结果与分析
• 4.4.5 接触应力对叶身强度分析的影响
• 4.6 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 5.2.1 本课题尚需完善和改进的工作
• 5.2.2 涡轮叶片强度分析及相关研究方向需进一步研究的课题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢