大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究

论文摘要

燃气轮机作为大型动力装置,广泛应用于发电及各种工业领域。燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命问题的研究对确保热力发电设备的安全、经济运行具有重要意义。为了保证燃气轮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及疲劳寿命进行计算和校核。本文围绕燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命计算理论及方法,对发电用大型燃气轮机涡轮叶片高温多轴低周疲劳寿命进行研究。本文的主要内容和成果如下:首先,在有限元软件ANSYS Workbench中,对燃气轮机涡轮叶片在离心载荷、气动载荷和热载荷的作用下,进行了热弹塑性应力、应变分析,得到涡轮叶片在其工作过程中的应力、应变分布,从而得到叶片疲劳破坏的危险点,为对叶片进行疲劳寿命评估准备了条件。其次,对叶片榫头、齿槽在间隙配合和过盈配合两种状态下分别进行接触分析,得出叶片榫头在工作中的应力分布情况。同时,讨论了榫头、齿槽在不同过盈量下,对榫齿应力分布的影响。最后,通过对燃气轮机涡轮叶片高温多轴非比例加载工作环境的分析,并结合当前多轴疲劳寿命研究现状,对Manson-Coffin理论和SWT方程进行修正,给出了涡轮叶片疲劳寿命新的计算方法。并且利用该方法计算了某燃气轮机涡轮叶片的疲劳/蠕变寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃气轮机叶片疲劳寿命国内外研究现状
• 1.3 高温多轴疲劳理论国内外研究现状
• 1.4 本文的主要内容和创新点
• 1.4.1 本文的主要内容
• 1.4.2 本文的创新点
• 2 涡轮叶片三维弹塑性应力应变分析
• 2.1 引言
• 2.2 涡轮叶片三维热弹性有限元应力分析原理
• 2.2.1 三维问题的基本方程
• 2.2.2 单元的位移函数和坐标变化式
• 2.2.3 单元的应变和应力
• 2.2.4 等效节点载荷
• 2.3 涡轮叶片三维几何模型的建立
• 2.4 涡轮叶片有限元模型
• 2.5 涡轮叶片材料参数
• 2.6 涡轮叶片计算载荷及边界条件
• 2.6.1 热载荷
• 2.6.2 气动载荷
• 2.6.3 离心载荷
• 2.6.4 边界条件约束
• 2.7 热弹性计算结果及分析
• 2.8 本章小结
• 3 涡轮叶片桦头和齿槽的接触分析
• 3.1 引言
• 3.2 接触问题的基本理论基础
• 3.2.1 接触问题的算法介绍
• 3.3 ANSYSWorkbench软件中接触问题的分析方法
• 3.3.1 ANSYS的接触分析步骤
• 3.3.2 接触参数和求解选项的确定
• 3.4 涡轮叶片榫齿与榫槽接触分析
• 3.4.1 接触分析问题模型的建立
• 3.4.2 材料参数
• 3.4.3 计算载荷与边界条件
• 3.4.4 计算结果与分析
• 3.5 本章小结
• 4 涡轮叶片高温多轴低周疲劳寿命分析
• 4.1 引言
• 4.2 发电用燃气轮机的工作过程及工作特点
• 4.3 涡轮叶片载荷谱编制
• 4.4 涡轮叶片高温多轴疲劳寿命计算理论
• 4.4.1 多轴非比例循环加载下应力应变关系
• 4.4.2 高温多轴疲劳寿命预测模型
• 4.4.3 高温疲劳/蠕变损伤积累模型
• 4.5 计算结果及分析
• 4.5.1 叶片疲劳寿命计算分析
• 4.5.2 疲劳寿命计算点确定
• 4.5.3 叶片的蠕变损伤计算
• 4.5.4 涡轮叶片疲劳/蠕变（总损伤）寿命
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢