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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 Publish: 2006-7-18 Hits:-

【中文题名】

大型透平膨胀机转子动力学分析及叶轮强度分析

【英文题名】

Rotor Dynamic Analysis and Impeller Strength Analysis in a Big-Sized Turbo-Expander

【学科专业】

化工过程机械

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2006-7-18

【中关键词】

透平膨胀机,转子动力学,有限元,过盈配合,温差应力,强度

【英关键词】

Turbo-Expander,Rotor Dynamics,Finite Element Method,interference fit,temperature stress,strength,

【分类导航】

工业技术>能源与动力工程>热力工程、热机>气体透平（涡轮机）>>

【论文摘要】

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...

【论文题纲】

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

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.130538



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