飞机维修（发动机维修）专业毕业设计
燃气轮机动力涡轮组件的强度分析
摘要：燃气轮机动力涡轮组件是燃气轮机的主要组件之一,由于其不仅工作温度高，而且还要承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故涡轮组件是决定燃气轮机寿命的关键部件，为确保有足够的寿命。本文重点对某型燃气轮机低压涡轮压气机转子叶片的强度特性进行了分析，并验证了其稳定性及可靠性。本文使用SAmcEF/Field软件的转子动力学分析模块对该转子叶片进行了分析计算。根据机组实际运行的条件，计算了该机组转子具有较小的临界转速、稳态不平衡响应、叶片丢失瞬态响应等。计算结果表明．临界转速安全系数合理；转子系统选取的平衡量具有较小的振动幅值；转子的瞬态响应结果验证了结构方案的合理性，转子系统具有较好的稳定性。得出了此转子结构方案能保证低压涡轮压气机稳定运行的结论，从而为燃气轮机的可靠性、维修性、保障性提供了参考。 关键词：低压涡轮；强度；转速；振动；可靠性 前言
上世纪二十年代，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为13%、功率为370千瓦，自此之后，燃气轮机就逐渐进入了人们的生活领域。燃气轮机、汽轮机、发电机及电动机等都是典型的旋转机械，都以转子作为工作
主体。转子连同轴承、支座等称为转子----支承系统。机组运转时．转子系统常常发生振动，而振动产生噪声。降低了机组的工作效率；严重的振动会导致转子断裂，造成重大危害。转子----支承系统的振动是多样的，包括转轴的扭曲振动、弯曲振动和轮盘叶片的振动等。转轴的振动较为复杂，牵涉的因素较多。转子动力学就是以转轴的弯曲振动作为主要研究对象的。
转子的不平衡量所引起的振动属于“强迫振动”，它的角频率和转动角速度相等。对于高速转子，除了不平衡质量引起的振动以外，还有频率与转动角速度不相等的振动，称为“涡动”。转子连接件配合面的摩擦、转轴的内阻、轴承油膜力或密封引起的气动力等都是产生涡动的因素。理论上，转轴的这种涡动属于“自激振动”[1]。涡动甚至可以破坏转轴或轴承。
本文研究的对象是该型燃气轮机低压涡轮压气机转子叶片，通过对转子----支承建模，使用SAmcEF专业转子动力学分析软件，采用有限元素法分析了其转子动力学特性，包括转子的临界转速计算、稳态不平衡响应分析、转子稳定性分析等。验证了其在工程应用方面的可用性及可靠性。同时得出了分析其动力学特性的基本方法及结论。 2结构简介
该型燃气轮机低压涡轮压气机转子呈轴流轮毂式整体
结构，它由9级低压压气机和l级低压涡轮组成，低压压气机与低压涡轮之问通过低压涡轮轴连接并以花键传递扭矩（见图1）。0～8级低压压气机轮盘、叶片材料为钛合金；低压涡轮盘、叶片材料为高温合金；低压涡轮轴材料为马氏体不锈钢。低压涡轮压气机转子呈3点支承结构。前支承采用径向止推滚珠轴承，支承点位于压气机o级轮盘的前段，由弹性支承、挤压油膜阻尼器、滚珠轴承组成；中间支承采用滚柱轴承．由挤压油膜阻尼器、滚珠轴承组成，支承点位于低压压气机后轴径后段；后支承采用滚柱轴承，由弹性支承、挤压油膜阻尼器、滚珠轴承组成，支承点位于低压涡轮轴后段。 3计算模型
该型燃机低压涡轮压气机转子的3D模型较大，这将导致在网格划分以及计算过程中花费大量时间，因此我们对本机组的计算采用2D轴对称模型。在总体直角坐标系下建立二维轴对称单元，其种类有3节点或高阶6节点的三角形单元、4节点或高阶8节点的四边形单元。每个节点有9个自由度，前6个自由度与梁单元一样，分别为沿旋转轴线方向的拉伸和扭转，以及由弯曲而引起的其他2个方向的线位移和角位移。另外，3个自由度与旋转轴的横截面变形有关，分别为拉伸引起的径向位移和弯曲引起的2个切向位移。同时．使用这类单元可以很好地模拟转子的“涡动效应”。
建立总体直角坐标系（X,y,Z）和局部圆柱坐标系。设定为局部坐标系下的位移分量,将它们沿0向按傅立叶级数展开如下：
式中：n为波数;m为相数。每个谐函数对应1个结构的基本变形[2]。
低压涡轮压气机转子的压气机叶盘间的连接方式为焊接或螺栓紧固．涡轮叶盘与涡轮轴之间也是以螺栓紧固的方式连接，低压压气机与低压涡轮轴之间的连接为花键。以此为依据进行整体建模。低压涡轮压气机转子叶片较长，其质量及转动惯量都很大，会产生较大的离心力和回转力矩，这种回转效应会对转子的临界转速产生比较大的影响．叶片等效简化为集中质量加到计算模型中。 4计算内容
4.1支承刚度和阻尼计算
现代航空发动机高速转子系统大都采用“柔轴”设计，使发动机工作转速高于转子系统的临界转速，该型燃机低压涡轮压气机转子就采用了这种设计理念。由转子在临界转速时的挠度和传递率可知，此类转子工作在临界转速或者通过临界转速时，其振幅正比于不平衡量和转子的临界角速度，反比于阻尼系数[3]。显然，对于“柔轴”类转子系统采取适当措施减小转子的不平衡量、降低临界转速和增大阻尼都是可以达到减小转子振动幅值的目的。而在发动机总体结构
设计已经确定的前提下，采用弹性支承或者阻尼器，或者两者兼而有之，就成为了最为有效和可行的方法。该型燃机低压涡轮压气机转子就采用了这种减振方式。机组所采用的弹性支承就是所谓低刚性弹性支承，可以使转子在通过临界转速时的振幅和通过轴承座的外传载荷均很小，这就可使转子工作在低阶临界转速以上。因此确定该型燃机低压压气机转子支承刚度是计算转子----支承系统临界转速所必需的前提条件。
4.1.1前支承刚度和阻尼计算
低压压气机转子前支承位于0级轮盘前段，由鼠笼式弹性支撑、挤压油膜阻尼器、滚珠轴承组成。 ）滚珠轴承的刚度[4]
式中：k1xx为径向刚度；Fr为径向外力;n为滚珠数量；d为滚珠直径；β为接触角。 2）鼠笼川度
以有限元法计算了鼠笼的静刚度。 3)挤压油膜阻尼器的刚度及阻尼计算
转子----支承系统采用挤压油膜阻尼器后，便会出现油膜刚度和油膜阻尼，在分析其动力特性时，除转子一支承系统自身的刚度外，还要计及油膜刚度。油膜阻尼远远大于转子一支承系统其他阻尼，存在油膜阻尼时，其他阻尼甚至可以忽略不计。因此．对于前支承来说，油膜阻尼就是其支承