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1、 燃气轮机涡轮叶片受力特性计算及分析 提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询毕业设计(论文)题目：燃气轮机涡轮叶片受力特性计算及分析 学 生 姓 名： 张 海 诺学 号： 班 级： 专 业： 指 导 教 师： 2015年 03月 燃气轮机涡轮叶片受力特性计算及分析 学 生 姓 名： 学 号： 班 级： 所在院（系）： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 燃气轮机涡轮叶片受力特性计算及分析摘 要涡轮叶片是燃气轮机的主要零部件之一，它在高温、高压、高速、恶劣且相当复杂的环境下工作，承受着离心力、气动力、温度应力等循环交变载荷与动载荷作用，叶片容易发生疲劳破坏。而引起涡轮叶片振动疲劳失效的主要因素是气动载荷
2、激振力，因此本文就涡轮叶片气动载荷进行了研究分析。首先推导了燃气轮机涡轮叶片气动载荷激振力的表达式，并采用MATLAB仿真技术对气动激振力进行了分析得到的载荷谱，及对周向力进行了谐波分析，得到了其频谱图和各阶谐波分量。关键字：燃气轮机；涡轮叶片；气动载荷；载荷谱；频谱图 Calculation and analysis ofmechanical characteristicsof gas turbine blade AbstractTurbineblade is one of the main componentsof gas turbine，itworking in high tempera
3、ture，high pressure，high speed，badandvery complexenvironment，underthe centrifugal force，aerodynamic force，temperature stress and othercyclic alternatingload anddynamic load，prone tofatigue failure ofblade.And themain factors causing thefailureof turbine bladevibration fatigueisthe aerodynamic loadexc
4、itation force，so this paperturbine blade aerodynamicloadwas analyzed.First，theexpressionof gas turbine bladeaerodynamic loadexcitation forceis derived，and the use of MATLABsimulation technologyof pneumaticvibration forceare analyzedto getthe load spectrum，and thecircumferentialmakes harmonic analysi
5、s，obtained itsspectrumand harmonic components.Key words：Gas turbine；Turbine blade；The aerodynamic load； Load spectrum；Spectrum 目 录1 概论11.1 研究的背景及意义11.2 涡轮叶片气动载荷国内外研究现状41.3 涡轮叶片动力学国内外研究现状61.4 本文的主要内容72 涡轮叶片受力特性计算表达式的推导82.1 离心载荷82.2 温度载荷92.3 涡轮叶片的气动激振力的分析计算102.4 本章小结173 在MATLAB中对气动载荷的仿真分析183.1 周向力和轴向力
6、的载荷谱183.2 周向力的其各阶谐波分量193.3 周向力的频谱图213.4 本章小结214 总结22参考文献23致 谢25 1 概论1.1 研究的背景及意义燃气轮机是一种重要的动力装置，从20世纪50年代开始在电力工业应用，由于当时的材料、机械加工、精密铸造等条件的限制，致使当时的机组单机容量小，热效率比较低，在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机组等辅助动力设备使用。随着我国电力工业的迅猛发展，西气东输工程和引进液化天然气工程的相继实施，燃气轮机特别是燃气轮机及其联合循环发电机组在我国电力工业中迅速崛起，随着天然气资源得到了进一步的开发利用，并且在全世界范围内起着越来越重要的作用，燃气
7、轮机及其联合循环发电机组在世界电力系统中的地位也越来越重要了。并且效率高、噪音低、排放低的先进的燃气轮机是提供清洁可靠、高质量发电及热电联供的最佳方式，也是目前标志一个国家工业基础先进程度的关键技术和动力设备的核心1。由于燃气轮机及其联合循环发电机组具有污染小、热效率高、调峰性能好、建设周期短、投资省等优点，在过去的50年里越来越受到各国的高度关注，各国各大公司都投入了大量的资金和先进技术来研制更先进有效的燃气轮机，逐渐取代传统的汽轮机发电机组。并在20世纪90年代，各国纷纷启动了推进燃气轮机技术发展和应用的国家项目，比如美国的“先进透平动力系统”计划(ATS)、欧洲的“先进燃气轮机合作”(C
8、AGT)和ECATS计划以及日本的“新日光”计划等2，大大促进了燃气轮机技术的发展和电力工业的发展。并且此类各种计划从未间断，并陆续推出新计划(比如美国的“VISion21”计划)，竭力提升这一技术水平，发达国家力求垄断这一领域。当前先进燃气轮机性能如表1.1所示。表1.1 当前先进燃气轮机性能表机型燃气温度（0C）压比单机功率（MW）单机循环效率（%）联合循环功率（MW）联合循环效率（%）Westhouse501Ats1510282904142661GEMS7001H1430233004140060ABBGT2612603026538.536958.5SiemensV94.3A135016.
9、62703940058.1虽然我国在燃气轮机发电领域起步较早，但是由于各种原因，这种高难度、大型设备的研发速度一直很慢。直到改革开放后，随着国民经济的发展和电力的需求，燃气轮机才逐渐走上子决速发展的轨道。特别是随着“十五”期间西气东输工程和引进液化天然气工程的实施之后，国家开始重视发展天然气燃气轮机联合循环发电，进行了三次捆绑式招标3：哈动力和通用电气联合生产109FA机型；东方电气和日本三菱联合生产M70lF机型；上海电气与德国西门子联合生产V94.3机型。捆绑招标、以市场换取技术推动了一批著名的高校与科研机构开展大型燃气轮机发电装备自主开发研究和提高了制造能力，使我国船用、航空用燃气轮机取
10、得丰硕成果。虽然我国燃气轮机的研制方面有了很大的进步，但是由于国外对先进技术的垄断和封锁，使得我们对燃气轮机的许多机理和关键技术尚未完全掌握，与国外先进技术相比还有很大差距。由于设计一和运营的经验不足，使得现在使用的大型机组在运行中经常出现问题，使机组的安全性和可靠性大大降低。因此，需要对燃气轮机发电机组关键零部件的安全寿命进行研究，以提高燃气轮机性能指标及可靠性，满足我国电力工业可持续发展的需要。燃气轮机的工作原理是4：通过轴流式压气机各级叶片把空气压缩到高压状态，与喷入的燃料在燃烧室混合燃烧形成高温高压燃气，然后推动燃气透平旋转而做功，这样就把燃料的部分化学能转化成为了机械能，其中大部分用
11、来推动压气机压缩空气上，剩余的部分通过输出轴对外做功。在这个做功过程中，燃气轮机涡轮叶片起着重要的作用，其将燃气可用热能绝大部分转变成涡轮的机械功。作为燃气轮机的关键部件之一，涡轮叶片工作环境相当恶劣，在高温、高压条件下做高速旋转运动，承受着循环变化的交变载荷。在燃气轮机工作过程中叶片高速旋转产生很大的离心力，是涡轮叶片在运行过程中受到的最重要载荷。其次涡轮叶片的在高温高压的环境里工作，由于受热不均，在叶片表面产生的热应力，对叶片的强度和疲劳寿命的影响不容忽视，而且在如此的高温下，叶片的几何形状、尺寸、材料性能等都有很大的变化，还容易产生高温蠕变损伤。再者就是涡轮叶片本身结构复杂，其表面受到高
12、温高压燃气周期性气动载荷激振力的作用。综上所述，即使机组处于稳定运行工况，涡轮叶片也会承受着周期性的惯离心性力、气动载荷激振力、温度应力等循环交变载荷作用。由于叶片受到交变载荷而产生交变应力，经过一定次数应力循环后致使叶片特别是动叶产生疲劳裂纹，并随着载荷的持续作用裂纹逐渐扩大，直到剩余的承力面积不足以承受离心力造成的应力时，最终导致叶片疲劳断裂。据统计，在燃气轮机零部件的失效事件中，涡轮叶片占40%以上，其中大部分是由于叶片的振动疲劳断裂所致，造成了巨大的直接和间接经济损失5。据美国电力研究协会统计报道：19771981年间，美国由于叶片失效而导致直接经济损失大约在巧15.518.4亿美元之
13、间。在我国因叶片事故造成的经济损失达数十亿。所以分析叶片的振动特性就显得特别重要，而求解叶片振动特性的难点在于定量确定叶片的激振力。由上面的内容分析可以看到，涡轮叶片的载荷十分复杂，引起叶片振动的因素很多，但其中最能激发叶片振动的载荷为叶片所受的气动载荷激振力。因气动力诱发强迫振动所造成的叶片振动破坏故障远远超过由于叶片颤振所造成的事故。求解叶片振动特性一般都采用动力学分析法，针对涡轮叶片常遇到的振动问题，振动模态分析是一种有效的研究方法，主要用于确定叶片的固有频率和振型，这是受动载荷结构设计的重要参数。本文从燃气轮机涡轮叶片气动载荷的推导出发，分析叶片所受到的气动载荷激振力，应用动力学分析叶
14、片的振动参数和振动特性，分析叶片在气动载荷作用下可能发生的振动情况，尽量减少或避免叶片的振动疲劳损伤。1.2 涡轮叶片气动载荷国内外研究现状即使燃气轮机发电机组处于稳定运行工况，涡轮叶片也会受到周期性激振力的作用，产生振动响应。虽然影响叶片的激振力因素较多，但对于叶片振动响应起到关键作用的是气动载荷激振力，所以气动载荷研究一直受到各专家和研究学者的广泛关注。不少学者从不同角度对叶片的气动载荷在理论和实验方面进行了研究。就空气动力方面的原因而言一叶轮机械流体激振问题基本上可以分为两种：一种是稳定性问题，它对应着叶轮机械的自激振动，它发生在势流中，因此流动分离和边界层效应对颤振过程没有重要影响。因
