燃气轮机拉杆转子结构动力学
某型燃气轮机低压涡轮压气机转子动力学分析
收稿日期 : 2010- 04- 20 作者简介 : 关琦 ( 1980- ), 男 , 工程师 , 研究方向为涡轮机结构强度振动。
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舰
船
科
学
技
术
第 32 卷
1 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 1 级低压涡轮组 成 , 低压压气机与低压涡轮之间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 0 级轮盘前段, 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。
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建立总体直角坐标系 (X , Y, Z ) 和局部圆柱坐标
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第 8期
关
琦 , 等: 某型燃气轮机低压涡轮压气机转子动力学分析 阻尼器的 8个参数计算
kxx = kyx = Cxx = Cyx =
2 ) L RL 3 48 E0 ( 1 + E 0 # 3 2 3 c ( 1 - E0 )
图 1 低压涡轮压气机转子 P ig . 5 T he rotor of low tu rbocompresso r
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。
2 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 0。 系 ( er, z, eH )。 设定 u r, uz, uH, <r, <z, <H 为局部坐标系下的位移 分量, 将它们沿 H向按傅立叶级数展开如下 :
燃气轮机原理与结构解析
图说燃气涡轮发动机的原理与结构曹连芃摘要：文章介绍燃气涡轮发动机的工作原理；对燃气轮机的主要部件轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮分别进行了原理与结构介绍；对燃气涡轮发动机的整体结构也进行了介绍。
关键字：燃气涡轮发动机，燃气轮机，轴流式压气机，燃烧室，轴流式涡轮1. 燃气涡轮发动机的工作原理燃气涡轮机发动机（燃气轮机）的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。
走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。
燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转，见图1。
图1-走马灯与燃气涡轮燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。
图2是一台燃气轮机原理模型剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。
从外观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气口（燃气出口）。
燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮（透平），是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。
图2-模型燃气轮机结构在图3中表示了燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。
图3-燃气轮机工作过程在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子，如图4所示。
图4-燃气轮机转子燃烧室产生的高温膨胀气体是同时作用到涡轮叶片与压气机叶片上，如何保证涡轮带动压气机正向旋转呢，简单说涡轮叶片工作直径大于压气机出口处的叶片工作直径，涡轮叶片的面积也大于压气机出口处的叶片面积，这就初步保证在同一压力下涡轮的输出力矩大于压气机所需的力矩，当然更重要的是压气机叶片与涡轮叶片的良好空气动力学设计才能保证两者高效运行。
转子动力学解决方案
转子动力学解决方案转子动力学是研究旋转系统和旋转结构运动规律的力学分支，广泛应用于航空航天、机械工程、电力工程等领域。
在解决转子动力学问题时，需要考虑多个因素，并采用适当的数学工具和方法进行分析和求解。
下面将介绍一种常见的转子动力学解决方案。
首先，建立转子动力学模型是解决问题的第一步。
模型的建立需要考虑旋转系统的结构特点、所受外部力和力矩，以及转子部件的刚度和阻尼等因素。
常见的转子动力学模型包括悬臂梁模型、轴向模型和自由模态模型等。
选择适当的模型取决于具体的问题和要求。
其次，对于建立的转子动力学模型，需根据实际情况确定初始条件和边界条件。
初始条件指的是系统在初始时刻的位移、速度和加速度等状态量，边界条件指的是转子系统与外界的相互作用，如支撑座、轴承等。
确定好初始条件和边界条件后，才能进行后续的分析和计算。
然后，利用运动方程和材料力学原理，可以得到转子系统的动力学方程。
通常情况下，动力学方程是一个包含未知位移和力等的微分方程组。
为了求解此方程组，可以采用数值方法如有限元法、有限差分法或模态分析法等。
其中，有限元法是最常用的方法之一，通过将转子系统划分为有限个小元件，建立离散的数学模型，再利用适当的数值计算方法求解方程组。
接下来，对转子系统进行模态分析是解决转子动力学问题的关键环节。
模态分析是通过求解动力学方程的特征值和特征向量，得到系统的固有频率和模态形态。
通过对固有频率和模态形态的分析，可以了解系统的振动特性和稳定性。
在模态分析过程中，还可以进行模态耦合分析、频率响应分析和模态参数辨识等。
最后，对于求解得到的动力学方程，可以进行振动响应分析和稳定性分析。
振动响应分析是对系统在外部激励下的振动响应进行研究，常用的方法包括强迫响应分析和随机响应分析。
稳定性分析是对系统的稳定性进行评估，通过计算系统的固有频率、阻尼比和临界转速等参数，判断系统是否稳定。
以上是一个常见的转子动力学解决方案，其中涉及了模型建立、初始条件和边界条件确定、动力学方程求解、模态分析和振动响应与稳定性分析等环节。
《燃气轮机》课件
燃气轮机行业的环保政策与法规
排放限制
各国政府对燃气轮机的排放制定了严格的限制标准， 要求企业采取有效措施降低排放，促进清洁能源的使 用。
能效标准
政府制定能效标准，鼓励企业采用高效低排放的燃气 轮机技术，推动行业的技术进步和绿色发展。
06
燃气轮机与其他动力设备的比较
与蒸汽轮机的比较
涡轮机通常采用轴流式或离心 式设计统
01
控制系统是燃气轮机的重要组成部分，负责监控燃气轮机的运行状态 、控制燃气轮机的启动、停机、运行等操作。
02
控制系统的设计应确保安全、可靠、高效地控制燃气轮机的运行，同 时具备故障诊断和保护功能。
03
控制系统通常采用自动化和数字化技术，以实现远程监控和智能控制 。
先进的材料和制造工艺
采用耐高温、耐腐蚀的新型材料，以及先进 的制造工艺，提高燃气轮机的可靠性和寿命 。
燃气轮机在新能源领域的应用
分布式能源系统
燃气轮机在分布式能源系统中扮演重要角色 ，能够提供稳定、可靠的电力和热力供应， 同时具有较高的能源利用效率和较低的环境 影响。
混合能源系统
燃气轮机可以与太阳能、风能等可再生能源 相结合，形成混合能源系统，实现多种能源
燃烧室的设计还需考虑启动、停机、正常运行等不同工 况下的性能表现，以满足燃气轮机的整体需求。
涡轮机
涡轮机是燃气轮机的动力输出 部分，通过涡轮叶片将高温、
高压的燃气转换为机械能。
涡轮机的设计应确保高效、稳 定地将燃气能量转换为机械能 ，同时承受高温、高压、腐蚀
等恶劣环境。
涡轮机的结构和材料需经过精 密的设计和制造，以确保其长 寿命和可靠性。
燃气轮机的热效率
总结词
燃气轮机基础知识
6、燃料适应性强，公害少 燃气轮机能燃用多种燃料和廉价燃料，如重油、原油、煤气、工 艺中可燃气体和核燃料等等。同一台燃气轮机可燃用液体或气体等几 种燃料而其设备不需要作太大变化。排气比较干净，对空气污染较少。 7、起动快、自动化程度高 工业燃气轮机从冷态起动，加速直到带上满负荷，一般需要15分 种左右。航空燃气轮机起动只需要30秒。燃气轮机装置易于实现集控、 程控和遥控。可实现全盘自动化，减少运行维护人员。运行维护方便。
轴流式
环管形燃烧室
燃气轮机的燃烧室将燃料的化学能转变为热能，将压 气机压入的高压空气加热到高温以便到涡轮膨胀做功，燃 料为液体燃料（例如汽油）或气体燃料（例如天然气）。 燃烧室外壳前面是通往压气机的空气入口，后面是通往涡 轮的高温气体出口。 燃烧室内有燃烧器，对于液体燃料， 燃烧器把进入的燃料雾化从喷嘴喷出；对于气体燃料，燃 烧器把进入的气体燃料扩散预混从喷嘴喷出，与压气机来 的空气充分混合后燃烧，产生高温高压气体从过渡段出口 喷出。在燃烧室内有火焰筒，燃烧器喷出的火焰在火焰筒 内燃烧，火焰筒前段是主燃区，保证火焰正常燃烧；中段 是补燃区，在火焰筒壁上有许多进气孔，让空气进入补燃， 保证完全燃烧；后段是通向涡轮叶片的燃气导管，也称为 过渡段。在燃烧室内的白色箭头线就是气流在燃烧室的流 向。
离心式压缩机
三、燃气轮机的主要辅助部分
对于一台燃气轮机来说，除了主要部件外还必须有完善 的调节保安系统，(油系统—润滑油、控制油、液压油。超温、 气体泄露报警装置，轴瓦的振动位移以及温度，超速保护等） 此外还需要配备良好的附属系统和设备，包括：起动装置、燃 料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。
转子动力学
转子动力学是研究高速旋转机械动力学行为的基本理论和分析方法的一个近代力学学科分支。
有极强的工程应用背景。
我国在大型电站设备的自行研制中曾发生多次灾难性事故，其根本原因是国内对转子的非线性动力行为缺乏基础理论研究。
为此，大型机组安全运行问题成为1999年国家科技部第一批国家重点基础研究项目（973项目）的立项内容。
在这之前，国家自然科学基金会经5年论证，于1999年把非线性动力学问题作为重大项目立项。
20多年来，复旦大学力学系在转子动力学基础理论研究方面的成果，在国内获得公认的地位。
在复杂转子系统动力学方面的系统性理论成果，获1987年国家自然科学奖三等奖，在转子系统运动稳定性和整机动力学方面的理论成果，获1996年国家教委科技进步奖（基础类）二等奖。
基于上述理论成果解决了国内20余项国家和省部级重要实际项目，并为我国开发了一系列具有原创性的工程分析软件，用于航空发动机，汽轮机，离心机等的研制和排故上获得成功，曾获上海市科技进步奖一等奖（1993）、二等奖（1986），航空工业部科技进步奖一等奖（1991）和国家科技进步奖三等奖（1992）。
我们的工作得到国际的重视，论文二次发表在ASME Journal of Applied Mechanics 上。
张文应邀赴美国麻省利工学院（MIT）和哈佛大学合作研究二年。
1990年国际理论与应用力学联合会邀请张文参加十年一次的Symposium 作大会报告，还几次应邀担任国际会议的组织工作。
目前，高速旋转机械的国际设计趋势向高转速和轻柔结构方向发展，苛刻的工作环境常引发转子大变形扰动运动。
生产实际的需要推动了非线性转子动力学的发展。
目前我们已进入非线性转子动力学的工作，主要工作领域是非线性油膜力的力学建模理论，转子的非线性碰摩，充液转子运动稳定性等方面。
承担了国家重点基础研究项目（973项日）"大型机组安全运行问题"和国家自然科学基金会重大项目"大型旋转机械非线性动力学问题"的子课题研究。
燃气轮机原理、结构及应用(上、下册)pdf
燃气轮机原理、结构及应用(上、下册)pdf燃气轮机原理、结构及应用（上、下册）PDF一、引言燃气轮机作为一种高效、清洁、低碳的能源转换设备，已经广泛应用于发电、工业驱动、航空航天、交通运输等领域。
本篇文章将详细介绍燃气轮机的原理、结构及应用，帮助读者深入了解这一重要的动力装置。
二、燃气轮机工作原理燃气轮机是一种旋转式热力发动机，它以连续流动的气体为工质，将燃料的化学能转化为机械能。
燃气轮机的主要工作过程包括吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功和排气放热。
在这个过程中，气体依次经过压气机、燃烧室和透平，完成由热变功的热力循环。
1.吸气压缩：燃气轮机的压气机从外界大气环境中吸入空气，并逐级压缩空气。
随着压缩过程的进行，空气的温度和压力逐渐升高。
2.燃烧加热：压缩空气被送到燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧，产生高温高压的燃气。
3.膨胀做功：高温高压的燃气进入透平，推动透平叶片旋转。
透平叶片经过设计，使燃气在通过时产生旋转动力，将燃气的压力能转化为机械能。
4.排气放热：经过透平膨胀做功后的燃气，温度和压力降低。
透平排气可以直接排放到大气中，自然放热给环境，也可以通过换热设备回收部分余热。
三、燃气轮机结构燃气轮机的主要结构包括压气机、燃烧室和透平。
1.压气机：压气机是燃气轮机的关键部件之一，负责吸入空气并压缩。
它由多个级数组成，随着级数的增加，空气的压力和温度逐渐升高。
2.燃烧室：燃烧室是燃气轮机中燃料与空气混合燃烧的场所。
燃烧室的设计需要确保高效、安全、稳定的燃烧过程。
3.透平：透平是燃气轮机中将燃气的压力能转化为机械能的关键部件。
透平叶片经过精密设计，使燃气在通过时产生旋转动力，驱动燃气轮机旋转。
四、燃气轮机应用燃气轮机在多个领域具有广泛的应用，包括：1.发电：燃气轮机发电机组具有启动快、调峰能力强、效率高等优点，适用于电力系统的调峰和应急电源。
2.工业驱动：燃气轮机可用于驱动压缩机、泵等工业设备，提高工业生产效率。
转子动力学
课程名称转子动力学专业机械工程姓名谭玉良学号1320190064教师王彪日期2014.6转子动力学有限元分析1.转子动力学简介1.1背景及意义目前转子动力学在实际机组中的应用正处于需要全面深入研究的阶段，其研究具有重大的实际工程意义。
虽然国内外学者对于大型旋转机械故障诊断问题进行了大量的研究，但大多集中在单一故障问题上。
而在大型旋转机械复杂的工作环境中，系统中产生多故障也是不可忽视的情况之一。
并且与单一故障相比，多故障具有更加复杂的产生原因及动力学特性。
解决旋转机械的振动问题，寻找机械故障的诊断方法，不外乎理论分析与实验研究，而且二者是相辅相成的。
基于模型的方法就是基于这一思路，它首先通过理论分析建立转子系统的有限元模型，然后通过试验方法，利用布置的传感器采集振动信号，最后通过比较计算数据和实测数据，并采用高效算法识别故障的有无、具体位置和严重程度。
旋转机械是工业部门中应用最为广泛的一类机械设备，如汽轮机、压缩机、风机、扎机、机床等诸多机械都属于这一类，转子一轴承系统作为旋转机械的核心部件，在电力、能源、交通、国防以及石油化工等领域中发挥着无可替代的作用。
转子连同它的轴承和支座等统称为转子系统。
机器运转时，转子系统常常发生振动。
振动的害处是产生噪声，减低机器的工作效率，严重的振动会使元件断裂，造成事故。
如何减少转子系统的振动是设计制造旋转机器的重要课题。
转子动力学是分析和研究旋转机械的运转情况，对旋转机械及其部件和结构的动力学特性进行分析和研究的科学，包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断等。
因此对于转子系统进行振动分析是十分必要的。
1.2有限单元分析方法有限单元法是在当今技术科学发展和工程分析中获得最广泛应用的数值方法。
由于他的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。
有限单元法在20世纪50年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。
它是在矩阵位移法基础上发展起来的一种结构分析方法。
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燃气轮机拉杆转子结构动力学
（最新版）
目录
一、燃气轮机拉杆转子结构的基本概念
二、燃气轮机拉杆转子结构的动力学特性
三、燃气轮机拉杆转子结构的动力学分析方法
四、燃气轮机拉杆转子结构的动力学应用实例
五、燃气轮机拉杆转子结构的发展前景
正文
一、燃气轮机拉杆转子结构的基本概念
燃气轮机是一种以燃烧气体为动力的旋转式热机，广泛应用于发电、航空、船舶等领域。
其中，拉杆转子结构是燃气轮机的核心部件之一，其主要功能是将高温高压的气体能量转化为旋转动力，驱动整个燃气轮机系统运行。
拉杆转子结构由转子、拉杆和轴承等组成。
转子是燃气轮机旋转的核心部分，通常由合金钢制成，具有良好的抗高温和抗磨损性能。
拉杆则负责连接转子和外部负载，起到传递动力的作用。
轴承则支撑着整个转子系统，保证其在高速旋转过程中保持稳定。
二、燃气轮机拉杆转子结构的动力学特性
燃气轮机拉杆转子结构在高速旋转过程中，会受到多种动力学因素的影响，如惯性力、气动力、热膨胀等。
这些因素使得拉杆转子结构在运行过程中具有一定的动力学特性，如振动、磨损、热弯曲等。
为了确保燃气轮机的稳定运行，需要对拉杆转子结构的动力学特性进行深入研究，包括振动特性、磨损特性、热弯曲特性等。
这些研究有助于优化拉杆转子结构的设计，提高其抗振动、抗磨损和抗热弯曲能力，从而
提高燃气轮机的运行效率和使用寿命。
三、燃气轮机拉杆转子结构的动力学分析方法
燃气轮机拉杆转子结构的动力学分析方法主要包括理论分析、实验研究和数值模拟等。
理论分析主要通过建立拉杆转子结构的动力学模型，分析其在不同工况下的振动特性、磨损特性和热弯曲特性等。
实验研究则通过对拉杆转子结构进行实际测试，测量其在不同工况下的振动、磨损和热弯曲等参数，为理论分析提供验证和修正。
数值模拟则是通过计算机仿真技术，模拟拉杆转子结构在不同工况下的动力学行为，为理论分析和实验研究提供辅助手段。
四、燃气轮机拉杆转子结构的动力学应用实例
燃气轮机拉杆转子结构的动力学应用实例主要包括以下几个方面：
1.优化拉杆转子结构设计，提高其抗振动、抗磨损和抗热弯曲能力。
2.研究拉杆转子结构在不同工况下的动力学特性，为燃气轮机的运行维护提供理论依据。
3.通过动力学分析，预测拉杆转子结构在长期运行过程中的性能退化，为燃气轮机的定期检修提供参考。
4.通过动力学分析，评估拉杆转子结构在故障情况下的安全性能，为燃气轮机的故障诊断和安全保障提供支持。
五、燃气轮机拉杆转子结构的发展前景
随着科技的不断发展，燃气轮机拉杆转子结构在动力学方面的研究也将不断深入。
未来的发展方向主要包括以下几个方面：
1.采用新型材料和结构设计，进一步提高拉杆转子结构的抗振动、抗磨损和抗热弯曲能力。
2.结合大数据和人工智能技术，实现拉杆转子结构动力学特性的在线监测和智能诊断。
3.研究拉杆转子结构在极端工况下的动力学行为，为燃气轮机在恶劣环境下的运行提供技术支持。