考虑接触刚度的燃气轮机拉杆转子动力特性研究

作者/李冬梅，渤海船舶职业学院

考虑接触刚度的燃气轮机拉杆转子动力特性研究

作者/李冬梅，渤海船舶职业学院

燃气轮机技术随着社会发展和科技进步日益发展和完善，在燃气轮机中拉杆转子是最重要的组成部分，拉杆转子动力特性会影响到燃气轮机整体的工作性能，本文探究了燃气轮机拉杆转子的动力特性，从端面齿接触刚度、粗糙表面接触刚度和重型燃气轮机拉杆转子的振动三个角度出发，探讨影响燃气轮机拉杆转子动力特性的原因，从而为提升燃气轮机的工作效率奠定良好的基础。

接触刚度；拉杆转子；燃气轮机

1. 燃气轮机拉杆转子动力特性概述

燃气轮机技术随着科学技术的进步而不断完善和发展，拉杆转子在燃气轮机的广泛应用中具有一定的优势，例如重量较小，容易冷却，装配操作起来较为简单，在对材料的选择上可以根据具体情况进行取舍，众多优点导致了拉杆转子的使用较多，但是在轮盘和砖头中，通过一定的预紧力将转子分割成了不同的部分，接触面的状态改变了拉杆转子组合起来的动力特性，所以要考虑接触关系和接触刚度，在较小的压力情况下可以运用相关的接触刚度模型进行分析接触面的相互作用情况和塑性变形等，有限元数值方法比起建立模型法具有计算上的优势，所以在考虑接触刚度中得到了较为普遍的运用，相关专家学者就利用有限元分析方法探索粗糙面和光滑面间的弹塑性法向接触问题，并获得了接触面积、刚度硬化系数等屈服应力等相关参数，从而能够在接触刚度问题上进一步的比较和分析。由于实验进行的接触面积和参数大小远远小于实际生活中的工程结构，所以在运用有限元分析法时也具有一定的局限性，计算量过大无法对单元节点进行精确地计算和分析，将宏观角度与未元体接触刚度相结合，采取模拟实验结构应力分析方法，在考虑接触刚度的情况下进行拉杆转子的动力特性研究，并且在重型燃气轮机中要着重分析转子的固有频率对接触刚度的作用和影响效果。

2. 拉杆转子端面齿及接触刚度分析

端面齿是将燃气轮机的中心拉杆转子的叶轮联结起来，它的结构是中心拉杆连接轮盘与轴头，并通过中心拉杆给予一定的预紧力，从而使得端面齿拆装简易，传递扭矩效果较好，将所有叶轮准确固定在该有的位置上，在特殊情况下也能够保证所有零件的同心度，但是端面齿受到的预紧力分布不均匀，转速变化也会产生较大的轴向力，较大程度上影响了转子的质量和性能，影响整个燃气轮机的工作效率。

接触问题是机械工程中较为普遍的问题，因为涉及摩擦而变得十分复杂从而涉及到了高度非线性问题，在十九世纪就有相关专家学者完整地提出了弹性体的接触问题，并形成一系列经典的接触理论，随着科学技术的发展出现了数值解法和接触问题，人们发现有限单元能够很好地解决这一系列复杂问题，成为解决接触问题最有效最普遍的方法，包括数学规划法、接触约束算法和直接迭代法等。接触问题一般包括两种，一个及以上接触面是刚体，这种接触面的刚度较高；另一种接触面都是变形体，接触面的刚度相差不大。

运用接触单元塑造一个接触行为模型，即端面齿的有限元模型，当刚性体与挠性体进行接触时，把弹性参数较大的一个座位目标体，另一个弹性参数较小的作为接触体，进行等效刚度计算，假设端面齿在进行接触热力处理，在齿牙与齿牙之间进行载荷的接触传递，由于端面齿的表面较为光滑，所以产生的摩擦很小，轴向预紧力在确保中心拉杆强度的同时不能过大，所以一般认为接触面与接触面互相传递法向力。

3. 粗糙表面接触刚度分析

运用模型法模拟出一个具有粗糙表面的界面层和一个具有光滑表面的界面层，两者除了表面光滑粗糙有明显不同之外，其他条件例如长度和厚度等因素都相同，用Kg表示光滑面，其计算公式为其中E代表材料模量，A代表接触面积，L代表接触长度。

模拟一个能够体现粗糙表面状态的长方体模型，将大小设定为0.5mm×0.2mm×0.2mm，并将这个模型作为一个微元，粗糙表面有关键点构成，并且0是这个关键点的平均值，表面粗糙度取固定值，长度和宽度的间距设定为0.02mm，最好选择理想弹塑性可以有较好的泊松比和屈服应力，将四面体单元划分为十个节点，同时减少刚体自由度的影响，需要将长方体的底面限制进行位移，通过不同的实验可以明显发现法向界面接触刚度受到压力的增减影响，当微元体的长度应该包含的应力压力不能够均匀分布时，接触刚度会逐渐趋向于一个固定的数值，所以考虑了法向接触刚度受到弹塑性变形的作用和影响。

法向界面接触刚度可以发现在初始阶段，随着压力的增长法向界面接触刚度也增加，但是到达一个固定的顶点之后，就开始随着压力的增加而下降了，接触面的具体状态差异会使得法向界面接触刚度略有差异，但是微元体变长后，能够应对应力分布不均匀的情况，接触刚度就会随着压力的变化而呈现一个定值状态，就能够获得弹塑性对接触刚度的影响大小。法向变形量随压力的变化曲线，利用长度为1mm的计算模型进行实验，发现当微凸体的载荷较小时，法向变形量变化较快，但当压力不断增大时，法向变量反而放缓了增脏速度，当达到一个极限值时，微凸体将应力受力点分布集中起来，法向变形量迅速增大。

建立一个微元体模型要考虑它的长度和表面接触面状态等因素，再通过施加预紧力把底面固定住，在接触面上进行切向载荷从而分析接触刚度，在这种切向载荷影响下，两个接触表面的切向位移有所差异，切向界面接触刚度可以看出该模型在不同的载荷下接触刚度和切向位移差的变化，当载荷增加的时候，界面接触刚度也随之增加，当切向应力增大的时候，界面切向位移差也随之增大，在一段时间内达到一个固定值后增长速度变快，如果将微观的实验操作转变为宏观实验操作，会发现摩擦的两个表面连接达不到预期效果。

4. 重型燃气轮机拉杆转子振动分析

重型燃气轮机的盘鼓是最重要的组成部分，无论是盘式转子还是鼓式转子，其拉杆转子的刚度就较为良好，拉杆式转子分为短拉杆连接、中心拉杆连接和周向长螺栓连接三种，通过接触面和端面齿对接触刚度进行传递扭矩，由于拉杆式转子主要是焊接结构，所以一般不能进行拆卸，重型燃机轮机一般是这种拉杆式转子，轮盘与轮盘间的接触面是较为平缓的一个状态，中心拉杆即长拉杆结构具有其特性，结构较为单一，容易安装，并且处于轮盘中心位置，运行起来产生的热量小，温度低，离心力也小，但是在预紧力的作用下会容易使端部轮盘轴向变形或者受力状况不均匀，所以要注意端部轮盘的选择上要使用厚度较大的材料，从而保证了轮盘和转子的长时间正常使用。

在进行实验探究重型燃气轮机拉杆转子工作效率时，利用负载运行实验分析其受力情况获得接触面的应力分布情况，考虑微元体的表面接触刚度，通过实验获得横截面之间的法向接触刚度数值，一般使用切向弹簧替代法在有限元模型中进行实验操作和动力特性分析，在重型燃气轮机拉杆转动时，固有频率是一项较为重要的影响因素。当接触刚度逐渐增加时，燃气轮机的转子的固有频率受到的作用减小，并且越来越趋向于一个固定的数值，但是模型的粗糙表面明显小于实际结构的粗糙程度，所以得出的数值与实测值还是略有差异，轮盘间的接触刚度也大于实际接触刚度。为了提高透平段齿面与轮盘、拉杆间的接触刚度，一般采用粘合接触的方式，这时候弯曲振动频率的变化量具有较大的改变，由原来的基准值增大为数值的十倍左右，由此可以发现利用模型的实验结果与实测结果还是存在一些差异。

两个接触面不同的粗糙程度造成的接触刚度受到接触面应力水平和接触面形态的影响。在重型燃气轮机中进行的振动频率实验可以发现，不同阶的振动频率具有明显的差异，受到的界面接触刚度影响也较为不同，第三阶弯曲频率受到的影响最小，对第一和第二阶的弯曲频率作用较大，这是因为第三阶弯曲振型收到的剪切变形和压气段法向变形较小，呈现一种单悬臂局部振动状态；第二阶和第一阶弯曲阵型受到的接触面的剪切变形影响较大。

所以我们可以发现：在弹塑性理论的基础上，利用长方微元体塑造一个具有粗糙表面的计算模型进行实验，通过有限元接触分析，研究受力情况对接触刚度的影响、法向和切向接触刚度的影响因素是否包含载荷作用的影响，变形关系导致的受力情况等，这些研究和实验为组合结构动力分析创造了良好的前提条件，准确发现了影响接触刚度的因素。第二，将微观与宏观的实验角度相结合，从整体的角度出发计算微元体的法向接触刚度，注重与宏观组织受力情况相结合，利用新型的组合结构分析方法考虑接触刚度，在拉杆转动中明显收到了转子固有振动频率的作用，并且这个固有频率会因为接触刚度而降低，接触刚度越大，转子固有频率受到的影响越小，而且各阶固有频率受到的影响有所差异，第一阶受到法向接触刚度作用大，第二阶受到切向接触刚度的影响大。

＊ [1]李辉光，刘恒，虞烈，考虑接触刚度的燃气轮机拉杆转自动力特性研究[J]，振动与冲击，2012，31（7）：4—8

＊ [2]张青雷，陈堰芳，赵佰余，燃气轮机拉杆转子的轮盘结合面接触模型研究[J]，热能动力工程，2014，29（5）：492—497

＊ [3]张青雷，程义悦，周向均布拉杆转子接触段刚度特性研究[J]，机械设计与制造，2015（2）：198—201