原创《汽轮机带冠叶片阻尼振动特性的有限元分析》：本论文为免费优秀的关于有限元分析论文范文资料，可用于相关论文写作参考。
摘 要：根据汽轮机叶片外形特点,在3D建模软件Solidworks中建立Z型叶冠单叶、成组叶片及整圈叶片的实体模型,通过ALGOR软件的机械运动仿真（MES）功能,计算带冠叶片组在不同冠间间隙、不同激励频率和幅值下的碰摩减振规律特性,并对所得结果进行分析.结果表明：通过冠间相互碰摩可有效减小叶片振动,当冠间间隙介于0.2 mm到0.5 mm之间时,碰摩减振效果最好；外部激振力对旋转产生的动应力影响较小,在特定的间隙值下,随激振力的变化叶片应力峰值变化较小.这些结论对汽轮机末级叶片的设计有重要的指导意义.
关键词：带冠阻尼叶片；阻尼减振；冠间间隙；优化设计
中图分类号：TK262 文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2014）01-0061-06
运行中的汽轮机末级叶片受到交变激振力的作用,产生振动响应和动应力.为有效避免叶片与激振力发生共振,通过拉筋将叶片连接,形成组叶片或整圈叶片有效避开共振.随着汽轮机负荷的大幅提高,拉筋结构有时多达3道,严重影响了蒸汽的流动,产生了很大的流动损失.带冠叶片利用冠间间隙对叶片进行限幅、调频.当前,含间隙运动副的结构减振研究受到人们的重视,已有的研究结果表明,通过碰撞能大大减小叶片的振动幅值,起到限幅作用,同时消耗和分散碰撞能量,防止激振力输入能量过大[1-2].
目前,针对碰摩减振机理和减振效果的研究还处于初步探索阶段.基于此,本文在已有研究成果的基础上,以弹性力学、振动力学为理论基础,建立碰撞运动的力学模型,并对建立的组叶片冠间接触非线性动力学模型进行数值计算,分析冠间碰撞的非线性动力学特性.将所得结论与已有的研究结果进行对比,证明了该方法的有效性,并为带冠叶片的改型设计提供了方法[3].
1带冠叶片碰撞的力学模型
11冠间接触的力学模型
在汽轮机运行过程中,离心力会使叶片发生扭转恢复,使得相邻冠面相互贴合,形成碰摩面,防止叶片振幅过大.摩擦面间的滑移力学模型分两种,即整体滑移和局部滑移.整体滑移将滑移面作为一个点来处理,计算量小,适用于非线性问题的迭代求解.
对于Z型带冠阻尼叶片,叶片的振动方向与摩擦面成α（0<α<90°）角,假设带冠叶片接触面的运动为简谐运动,表达如下[4-6]：
2带冠叶片的实体造型
21带冠叶片有限元模型的建立
在有限元分析中, 首先应建立实体模型, 借助3D设计软件Solidworks完成“Z”型带冠叶片的实体建模, 然后导入ALGOR中进行离散化处理, 得到单叶（见图3）. 其中, 带冠叶片的主要参数为： 叶身高1 029 mm, 叶冠厚度10 mm, 叶根部截面半径为800 mm, 整圈共77个, 绕X轴的额定转速3 000 r/min.
图3单叶、成组叶片及整圈叶片的有限元模型
22边界条件及载荷
根据叶片装配时的受力特点及工作时的转动特性,在每个叶根部施加全约束,实际上每个叶片根部截面在径向、轴向及圆周方向被约束,而并非X、Y和Z向,所以在施加边界条件时应先在根部截面建立局部坐标系.对于冠间边界条件,在额定转速下计算冠间接触面正压力时,应设置面接触,并考虑按摩擦系数模拟接触边界,接触方向按接触节点单元面法向确定.在模拟碰摩减振动力特性时,冠间接触面才用罚函数保证接触面协调性,同时设置动静摩擦系数,并通过单元自动更新确定每个时间步的接触区域.
3带冠叶片的动力特性分析
31固有频率及振型的计算
带冠单叶片的固有特性是一系列计算分析的基础,首先对单叶片、成组叶片及整圈叶片,在静止和额定转速下的前10阶模态频率进行了计算,得到固有频率随阶数的变化关系（见图4）,同时提取整圈叶片的前6阶模态振型（见图5）.
叶片固有频率阶次
1. 单叶片静频；2. 单叶片动频；3. 三叶片静频；4. 三叶片动频；5. 整圈叶片静频；6. 整圈叶片动频
图4单叶、组叶片及整圈叶片在静止和额定转速下的前10阶固有频率
（a）0节径1阶模态 （b）0节径2阶模态
（c）1节径1阶模态 （d）1节径2阶模态
（e）2节径1阶模态 （f）2节径2阶模态
图5整圈叶片的前6阶模态振型
由单叶片模态频率对应的振型可以看出,其振动类型有弯曲振动、轴向振动和扭转振动,并且动、静频率均随阶次的增大而增大,动频总大于静频.1阶模态频率随转速的变化率较大,这是因为离心力对1阶模态的刚度矩阵影响较大.轴向弯曲振动及轴向扭转振动频率随转速的变化较小,并且随着振动阶次的增加,转速对叶片振动频率的影响越来越小.
32冠间间隙对碰摩减振效果的影响
当冠间间隙大于某一特定值时,冠叶片做自由振动且冠间不会发生碰撞.当冠间间隙较小时,叶片的振动情况较为复杂[7].为了分析不同冠间间隙对组叶片固有频率的影响规律,对不同间隙下的组叶片进行了模态分析,结果如图6所示.
对于带冠组叶片,叶冠的相互接触会产生使组叶片刚性增强的耦合刚度,从而改变系统本身的动力学特性.
叶片固有频率下的阶次
1- 0.2mm间隙下的静频率；2- 0.2mm间隙下的动频率；3- 1.0mm间隙下的静频率；4- 1.0mm间隙下的动频率；5- 2.0mm间隙下的静频率；6- 2.0mm间隙下的动频率
图6不同间隙下叶片组的静频率和动频率
从图6中可以看出,离心力产生的动力刚度使得叶片的动频总高于静频,对比不同模态频率下的振型（见图5）可知,当冠间距小于某一特定值时,冠间接触起约束作用,且振动模态频率不同于单叶的模态频率.在冠间接触约束起作用的冠间间隙内,其固有频率对冠间间隙的变化不敏感,仅随着振动阶次的增加增大.
有限元分析论文参考资料：
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