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大型透平膨胀机转子动力学分析及叶轮强度分析

作　者: 李祖辉
导　师: 童水光
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 透平膨胀机转子动力学有限元过盈配合温差应力强度
分类号: TK14
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本文以杭州市科技发展规划项目《大型透平膨胀机组的设计、优化与制造》为依托,研究目前国内自行设计制造的最大透平膨胀机(50000m~3/h(氧))的转子动力学特性,进行膨胀轮和增压轮的叶轮强度有限元分析,藉此探索一条适合我们的大型透平膨胀机的设计分析之路,以提高设计效率,增加产品的可靠性,为今后更大规模的设计奠定基础。针对某大型透平膨胀机主轴的结构特点,本文首次提出三棱轴段的单元运动方程;并基于有限元法,用MATLAB软件开发了专门的转子动力学计算软件。该软件综合考虑了叶轮的陀螺力矩与转动惯量、主轴的转动惯量和滑动轴承的油膜刚度与阻尼等因素,且适用于刚性支承和弹性支承这两种不同的支承方式。同时,所需转子参数均从软件外部文档输入,极大地方便转子结构的优化与再设计。经算例验证,软件计算的临界转速与不平衡响应值与理论计算值非常接近,这表明该软件具有极高的计算精度。应用于某大型透平膨胀机的转子动力学计算中取得了较理想的结果,软件计算的转子临界转速很接近国外的经验临界转速,这表明该软件可用于解决工程实际问题,对转子动力学的研究有一定的参考价值。本文分析了过盈配合、温度差与旋转离心力三者共同作用下的叶轮强度,考虑叶轮与主轴是温差法过盈装配,利用温度的变化处理过盈配合;考虑叶轮工作时进出口温差比较大,记入了温差引起的热应力。有限元分析结果表明,考虑过盈配合和温差应力后,膨胀轮的最大应力在轮盘与主轴配合的圆周表面,且比只考虑离心力作用时的最大应力值大的多;增压轮的最大应力也比只考虑离心力作用时的最大应力值大,同时分析结果还为确定合适的过盈量提供了工程设计依据。利用温度变化处理过盈配合,通过计算在进出口温度下的温度场分布后计算温差应力,这种分析方法对其他需要考虑装配应力和温差应力的结构强度分析有一定的借鉴意义。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-23
  1.1 课题来源与背景  8
  1.2 透平膨胀机概述  8-10
  1.3 透平膨胀机的研究现状  10-15
    1.3.1 国内透平膨胀机主要科研院校和单位  11-13
    1.3.2 国外知名的透平膨胀机生产公司  13-15
  1.4 转子系统动力特性计算方法  15-21
    1.4.1 传递矩阵法  16-18
    1.4.2 模态综合法  18-19
    1.4.3 有限元法  19-21
  1.5 叶轮强度有限元分析概述  21
  1.6 本文研究的主要内容  21-22
  1.7 本章小结  22-23
第二章基于有限元法的转子动力学分析  23-40
  2.1 引言  23
  2.2 转子-轴承系统简化模型的建立  23-26
    2.2.1 建立动力学模型应遵循的原则  23-24
    2.2.2 建立转子简化模型的方法  24-25
    2.2.3 转子-轴承系统的简化模型  25-26
  2.3 单元的运动方程  26-35
    2.3.1 刚性圆盘单元运动方程  26-27
    2.3.2 Rayleigh梁-轴段单元运动方程  27-30
    2.3.3 Timoshenko梁-轴段单元运动方程  30-34
    2.3.4 轴承单元运动方程  34-35
  2.4 转子-轴承系统的整体运动方程  35-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章大型透平膨胀机转子动力学分析  40-58
  3.1 引言  40
  3.2 转子结构与计算模型  40-42
    3.2.1 转子结构及计算模型  40-41
    3.2.2 三棱轴段单元运动方程  41-42
  3.3 转子动力学计算  42-44
    3.3.1 临界转速计算  42-43
    3.3.2 主振型计算  43
    3.3.3 不平衡响应计算  43-44
  3.4 软件设计  44-45
  3.5 算例验证  45-46
  3.6 大型透平膨胀机转子动力学分析  46-54
    3.6.1 轴承处按刚性支承计算的临界转速和主振型  47-48
    3.6.2 考虑轴承刚度和阻尼后的临界转速和主振型  48-50
    3.6.3 考虑轴承刚度和阻尼后系统的不平衡响应  50-54
  3.7 大型透平膨胀机转子临界转速I-DEAS计算结果  54-57
    3.7.1 透平膨胀机转子三维模型  54
    3.7.2 有限元网格划分  54-55
    3.7.3 轴承处按刚性支承计算的临界转速  55-56
    3.7.4 考虑轴承刚度和阻尼时的临界转速  56-57
  3.8 本章小结  57-58
第四章大型透平膨胀机叶轮温度场分析  58-72
  4.1 引言  58
  4.2 温度场分析理论  58-65
    4.2.1 热传导基本定律  58-59
    4.2.2 热传导微分方程  59-61
    4.2.3 边界条件  61-62
    4.2.4 温度场的有限元格式  62-64
    4.2.5 热应力的计算  64-65
  4.3 膨胀轮温度场分析  65-69
    4.3.1 膨胀轮温度场有限元分析模型  66-67
    4.3.2 膨胀轮的温度场分布  67
    4.3.3 膨胀轮的温差应力  67-69
  4.4 增压轮温度场分析  69-71
    4.4.1 增压轮温度场有限元分析模型  69-70
    4.4.2 增压轮温度场分布  70
    4.3.3 增压轮温差应力  70-71
  4.5 本章小结  71-72
第五章透平膨胀机叶轮强度有限元分析  72-90
  5.1 引言  72
  5.2 计算叶轮应力的有限元法  72-76
    5.2.1 有限元法简介  72-73
    5.2.2 弹性力学求解方法  73-75
    5.2.3 有限元法基本求解过程  75-76
  5.3 膨胀轮有限元分析模型  76-78
    5.3.1 几何模型  76-77
    5.3.2 有限元网格划分  77
    5.3.3 边界条件和载荷  77-78
  5.4 膨胀轮有限元分析结果  78-82
    5.4.1 过盈配合过盈量计算  78-79
    5.4.2 叶轮应力分布  79-81
    5.4.3 确定合适的过盈量  81-82
  5.5 增压轮有限元分析模型  82-83
    5.5.1 几何模型  82-83
    5.5.2 有限元网格划分  83
    5.5.3 边界条件和载荷  83
  5.6 增压轮有限元分析结果  83-89
    5.6.1 过盈配合过盈量计算  83-84
    5.6.2 叶轮应力分布  84-88
    5.6.3 确定合适的过盈量  88-89
  5.7 本章小结  89-90
第六章总结与展望  90-92
  6.1 总结  90-91
  6.2 展望  91-92
参考文献  92-95
作者攻读硕士学位期间发表的论文  95
作者攻读硕士学位期间参与完成的项目  95-96
致谢  96

大型透平膨胀机转子动力学分析及叶轮强度分析

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