考慮接觸剛度的燃氣輪機拉桿轉子動力特性研究

作者/李冬梅，渤海船舶職業學院

考慮接觸剛度的燃氣輪機拉桿轉子動力特性研究

作者/李冬梅，渤海船舶職業學院

燃氣輪機技術隨著社會發展和科技進步日益發展和完善，在燃氣輪機中拉桿轉子是最重要的組成部分，拉桿轉子動力特性會影響到燃氣輪機整體的工作性能，本文探究了燃氣輪機拉桿轉子的動力特性，從端面齒接觸剛度、粗糙表面接觸剛度和重型燃氣輪機拉桿轉子的振動三個角度出發，探討影響燃氣輪機拉桿轉子動力特性的原因，從而為提升燃氣輪機的工作效率奠定良好的基礎。

接觸剛度；拉桿轉子；燃氣輪機

1. 燃氣輪機拉桿轉子動力特性概述

燃氣輪機技術隨著科學技術的進步而不斷完善和發展，拉桿轉子在燃氣輪機的廣泛應用中具有一定的優勢，例如重量較小，容易冷卻，裝配操作起來較為簡單，在對材料的選擇上可以根據具體情況進行取舍，眾多優點導致了拉桿轉子的使用較多，但是在輪盤和磚頭中，通過一定的預緊力將轉子分割成了不同的部分，接觸面的狀態改變了拉桿轉子組合起來的動力特性，所以要考慮接觸關系和接觸剛度，在較小的壓力情況下可以運用相關的接觸剛度模型進行分析接觸面的相互作用情況和塑性變形等，有限元數值方法比起建立模型法具有計算上的優勢，所以在考慮接觸剛度中得到了較為普遍的運用，相關專家學者就利用有限元分析方法探索粗糙面和光滑面間的彈塑性法向接觸問題，并獲得了接觸面積、剛度硬化系數等屈服應力等相關參數，從而能夠在接觸剛度問題上進一步的比較和分析。由于實驗進行的接觸面積和參數大小遠遠小于實際生活中的工程結構，所以在運用有限元分析法時也具有一定的局限性，計算量過大無法對單元節點進行精確地計算和分析，將宏觀角度與未元體接觸剛度相結合，采取模擬實驗結構應力分析方法，在考慮接觸剛度的情況下進行拉桿轉子的動力特性研究，并且在重型燃氣輪機中要著重分析轉子的固有頻率對接觸剛度的作用和影響效果。

2. 拉桿轉子端面齒及接觸剛度分析

端面齒是將燃氣輪機的中心拉桿轉子的葉輪聯結起來，它的結構是中心拉桿連接輪盤與軸頭，并通過中心拉桿給予一定的預緊力，從而使得端面齒拆裝簡易，傳遞扭矩效果較好，將所有葉輪準確固定在該有的位置上，在特殊情況下也能夠保證所有零件的同心度，但是端面齒受到的預緊力分布不均勻，轉速變化也會產生較大的軸向力，較大程度上影響了轉子的質量和性能，影響整個燃氣輪機的工作效率。

接觸問題是機械工程中較為普遍的問題，因為涉及摩擦而變得十分復雜從而涉及到了高度非線性問題，在十九世紀就有相關專家學者完整地提出了彈性體的接觸問題，并形成一系列經典的接觸理論，隨著科學技術的發展出現了數值解法和接觸問題，人們發現有限單元能夠很好地解決這一系列復雜問題，成為解決接觸問題最有效最普遍的方法，包括數學規劃法、接觸約束算法和直接迭代法等。接觸問題一般包括兩種，一個及以上接觸面是剛體，這種接觸面的剛度較高；另一種接觸面都是變形體，接觸面的剛度相差不大。

運用接觸單元塑造一個接觸行為模型，即端面齒的有限元模型，當剛性體與撓性體進行接觸時，把彈性參數較大的一個座位目標體，另一個彈性參數較小的作為接觸體，進行等效剛度計算，假設端面齒在進行接觸熱力處理，在齒牙與齒牙之間進行載荷的接觸傳遞，由于端面齒的表面較為光滑，所以產生的摩擦很小，軸向預緊力在確保中心拉桿強度的同時不能過大，所以一般認為接觸面與接觸面互相傳遞法向力。

3. 粗糙表面接觸剛度分析

運用模型法模擬出一個具有粗糙表面的界面層和一個具有光滑表面的界面層，兩者除了表面光滑粗糙有明顯不同之外，其他條件例如長度和厚度等因素都相同，用Kg表示光滑面，其計算公式為其中E代表材料模量，A代表接觸面積，L代表接觸長度。

模擬一個能夠體現粗糙表面狀態的長方體模型，將大小設定為0.5mm×0.2mm×0.2mm，并將這個模型作為一個微元，粗糙表面有關鍵點構成，并且0是這個關鍵點的平均值，表面粗糙度取固定值，長度和寬度的間距設定為0.02mm，最好選擇理想彈塑性可以有較好的泊松比和屈服應力，將四面體單元劃分為十個節點，同時減少剛體自由度的影響，需要將長方體的底面限制進行位移，通過不同的實驗可以明顯發現法向界面接觸剛度受到壓力的增減影響，當微元體的長度應該包含的應力壓力不能夠均勻分布時，接觸剛度會逐漸趨向于一個固定的數值，所以考慮了法向接觸剛度受到彈塑性變形的作用和影響。

法向界面接觸剛度可以發現在初始階段，隨著壓力的增長法向界面接觸剛度也增加，但是到達一個固定的頂點之后，就開始隨著壓力的增加而下降了，接觸面的具體狀態差異會使得法向界面接觸剛度略有差異，但是微元體變長后，能夠應對應力分布不均勻的情況，接觸剛度就會隨著壓力的變化而呈現一個定值狀態，就能夠獲得彈塑性對接觸剛度的影響大小。法向變形量隨壓力的變化曲線，利用長度為1mm的計算模型進行實驗，發現當微凸體的載荷較小時，法向變形量變化較快，但當壓力不斷增大時，法向變量反而放緩了增臟速度，當達到一個極限值時，微凸體將應力受力點分布集中起來，法向變形量迅速增大。

建立一個微元體模型要考慮它的長度和表面接觸面狀態等因素，再通過施加預緊力把底面固定住，在接觸面上進行切向載荷從而分析接觸剛度，在這種切向載荷影響下，兩個接觸表面的切向位移有所差異，切向界面接觸剛度可以看出該模型在不同的載荷下接觸剛度和切向位移差的變化，當載荷增加的時候，界面接觸剛度也隨之增加，當切向應力增大的時候，界面切向位移差也隨之增大，在一段時間內達到一個固定值后增長速度變快，如果將微觀的實驗操作轉變為宏觀實驗操作，會發現摩擦的兩個表面連接達不到預期效果。

4. 重型燃氣輪機拉桿轉子振動分析

重型燃氣輪機的盤鼓是最重要的組成部分，無論是盤式轉子還是鼓式轉子，其拉桿轉子的剛度就較為良好，拉桿式轉子分為短拉桿連接、中心拉桿連接和周向長螺栓連接三種，通過接觸面和端面齒對接觸剛度進行傳遞扭矩，由于拉桿式轉子主要是焊接結構，所以一般不能進行拆卸，重型燃機輪機一般是這種拉桿式轉子，輪盤與輪盤間的接觸面是較為平緩的一個狀態，中心拉桿即長拉桿結構具有其特性，結構較為單一，容易安裝，并且處于輪盤中心位置，運行起來產生的熱量小，溫度低，離心力也小，但是在預緊力的作用下會容易使端部輪盤軸向變形或者受力狀況不均勻，所以要注意端部輪盤的選擇上要使用厚度較大的材料，從而保證了輪盤和轉子的長時間正常使用。

在進行實驗探究重型燃氣輪機拉桿轉子工作效率時，利用負載運行實驗分析其受力情況獲得接觸面的應力分布情況，考慮微元體的表面接觸剛度，通過實驗獲得橫截面之間的法向接觸剛度數值，一般使用切向彈簧替代法在有限元模型中進行實驗操作和動力特性分析，在重型燃氣輪機拉桿轉動時，固有頻率是一項較為重要的影響因素。當接觸剛度逐漸增加時，燃氣輪機的轉子的固有頻率受到的作用減小，并且越來越趨向于一個固定的數值，但是模型的粗糙表面明顯小于實際結構的粗糙程度，所以得出的數值與實測值還是略有差異，輪盤間的接觸剛度也大于實際接觸剛度。為了提高透平段齒面與輪盤、拉桿間的接觸剛度，一般采用粘合接觸的方式，這時候彎曲振動頻率的變化量具有較大的改變，由原來的基準值增大為數值的十倍左右，由此可以發現利用模型的實驗結果與實測結果還是存在一些差異。

兩個接觸面不同的粗糙程度造成的接觸剛度受到接觸面應力水平和接觸面形態的影響。在重型燃氣輪機中進行的振動頻率實驗可以發現，不同階的振動頻率具有明顯的差異，受到的界面接觸剛度影響也較為不同，第三階彎曲頻率受到的影響最小，對第一和第二階的彎曲頻率作用較大，這是因為第三階彎曲振型收到的剪切變形和壓氣段法向變形較小，呈現一種單懸臂局部振動狀態；第二階和第一階彎曲陣型受到的接觸面的剪切變形影響較大。

所以我們可以發現：在彈塑性理論的基礎上，利用長方微元體塑造一個具有粗糙表面的計算模型進行實驗，通過有限元接觸分析，研究受力情況對接觸剛度的影響、法向和切向接觸剛度的影響因素是否包含載荷作用的影響，變形關系導致的受力情況等，這些研究和實驗為組合結構動力分析創造了良好的前提條件，準確發現了影響接觸剛度的因素。第二，將微觀與宏觀的實驗角度相結合，從整體的角度出發計算微元體的法向接觸剛度，注重與宏觀組織受力情況相結合，利用新型的組合結構分析方法考慮接觸剛度，在拉桿轉動中明顯收到了轉子固有振動頻率的作用，并且這個固有頻率會因為接觸剛度而降低，接觸剛度越大，轉子固有頻率受到的影響越小，而且各階固有頻率受到的影響有所差異，第一階受到法向接觸剛度作用大，第二階受到切向接觸剛度的影響大。

＊ [1]李輝光，劉恒，虞烈，考慮接觸剛度的燃氣輪機拉桿轉自動力特性研究[J]，振動與沖擊，2012，31（7）：4—8

＊ [2]張青雷，陳堰芳，趙佰余，燃氣輪機拉桿轉子的輪盤結合面接觸模型研究[J]，熱能動力工程，2014，29（5）：492—497

＊ [3]張青雷，程義悅，周向均布拉桿轉子接觸段剛度特性研究[J]，機械設計與制造，2015（2）：198—201