【摘要】：根據(jù)當(dāng)代海洋防御的需求,艦船動力裝置應(yīng)具備不惜犧牲部分疲勞壽命來實(shí)現(xiàn)最短時間內(nèi)達(dá)到運(yùn)行工況,以應(yīng)對處理各種突發(fā)事件的能力。這使艦用燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)具有可靠、快速且大幅度變工況的性能。因此,針對艦用燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子在快速啟動及變工況過程中承受的熱沖擊載荷分布、快速啟動曲線優(yōu)化設(shè)計、非連續(xù)轉(zhuǎn)子瞬態(tài)熱變形及熱致振動等問題的研究是提高艦用燃?xì)廨啓C(jī)可靠性、機(jī)動性技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。根據(jù)艦用燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜多變的工作溫度環(huán)境及非連續(xù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文建立了燃?xì)廨啓C(jī)空間熱載荷模型,通過研究非連續(xù)轉(zhuǎn)子熱—結(jié)構(gòu)耦合機(jī)理,分析了具有薄壁和軸向變徑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的非連續(xù)轉(zhuǎn)子瞬態(tài)熱致振動特性,并形成燃?xì)廨啓C(jī)快速啟動熱分析及啟動控制曲線優(yōu)化設(shè)計方法。主要研究內(nèi)容包括:針對艦用燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)瞬態(tài)時變空間的溫度分布,基于燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)理論建立燃?xì)廨啓C(jī)空間熱載荷分析模型,結(jié)合艦用燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定熱載荷分布函數(shù)。針對燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子連接界面微觀形貌特征,提出了軸向和周向變導(dǎo)熱系數(shù)的等效連接層模型,分析了燃?xì)廨啓C(jī)非連續(xù)轉(zhuǎn)子連接界面位置的溫度分布規(guī)律。研究表明提出的燃?xì)廨啓C(jī)時變空間熱載荷模型可以給出燃?xì)廨啓C(jī)不同工況下轉(zhuǎn)子的溫度邊界,建立的等效連接層模型為分析燃?xì)廨啓C(jī)非連續(xù)轉(zhuǎn)子溫度分布提供了有效方法,為艦用燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子熱變形和熱致振動特性研究建立基礎(chǔ)。針對艦用燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的非連續(xù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立非連續(xù)轉(zhuǎn)子熱-結(jié)構(gòu)耦合分析模型,開展熱沖擊下轉(zhuǎn)子熱-結(jié)構(gòu)耦合機(jī)理研究。結(jié)合三維熱分析模型,研究艦用燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子接觸界面的溫差分布規(guī)律;瞬態(tài)熱沖擊作用下,接觸參數(shù)對轉(zhuǎn)子非連續(xù)結(jié)構(gòu)界面連接狀態(tài)的影響;開展了非連續(xù)轉(zhuǎn)子的熱變形規(guī)律及其影響因素研究。研究表明,非連續(xù)結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)之間存在較強(qiáng)的耦合作用,對燃?xì)廨啓C(jī)非連續(xù)轉(zhuǎn)子瞬態(tài)熱傳遞和熱變形影響較大,快速啟動的時間對轉(zhuǎn)子啟動過程中最大變形量有一定的影響,為艦用燃?xì)廨啓C(jī)非連續(xù)轉(zhuǎn)子瞬態(tài)熱沖擊下的熱致變形分析提供了有效方法。針對艦用燃?xì)廨啓C(jī)非連續(xù)轉(zhuǎn)子瞬態(tài)熱變形引起的振動問題,提出采用錐形鼓筒轉(zhuǎn)子單元模型,并結(jié)合非連續(xù)結(jié)構(gòu)間的熱載荷分布和等效連接界面剛度的方法,建立了具有熱變形特性的非連續(xù)轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析模型,給出了艦用燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子熱致振動機(jī)理。采用轉(zhuǎn)子瞬態(tài)響應(yīng)算法,分析了非連續(xù)結(jié)構(gòu)連接載荷、熱變形激勵及不平衡耦合作用下非連續(xù)轉(zhuǎn)子在不同啟動過程中的瞬態(tài)熱致振動特性。研究表明,非連續(xù)界面位置及接觸參數(shù)對轉(zhuǎn)子振動有較大影響,轉(zhuǎn)子熱變形的恢復(fù)現(xiàn)象能夠降低啟動過程中轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)響應(yīng),具有周向非均布連接載荷的轉(zhuǎn)子在過臨界轉(zhuǎn)速時的響應(yīng)幅值將升高�；谂炗萌�?xì)廨啓C(jī)快速啟動過程中渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在熱沖擊載荷作用下承受較大的瞬態(tài)熱應(yīng)力問題,結(jié)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)熱分析,提出快速啟動溫升控制曲線多變量優(yōu)化設(shè)計方法,有效降低了快速啟動過程中的最大瞬態(tài)熱應(yīng)力。為驗(yàn)證轉(zhuǎn)子熱分析模型及優(yōu)化設(shè)計方法,設(shè)計并搭建了�；瘻u輪轉(zhuǎn)子熱沖擊應(yīng)力分析試驗(yàn)臺,試驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合較好,優(yōu)化效果明顯。優(yōu)化結(jié)果表明,提出的多變量快速啟動優(yōu)化設(shè)計方法可以實(shí)現(xiàn)降低渦輪轉(zhuǎn)子啟動過程最大熱應(yīng)力或縮短啟動時間,為制定艦用燃?xì)廨啓C(jī)快速啟動設(shè)計方法提供借鑒。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文- 26 -圖2-19 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪出口溫度測點(diǎn)布置圖Fig. 2-19 The temperature test positions at the outlet of naval gas turbine某艦用燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)中在渦輪出口位置的周向均勻布置了 16 個溫度傳感器，以測量燃?xì)廨啓C(jī)流道內(nèi)周向溫度分布，各測點(diǎn)對應(yīng)位置如圖 2-19 所示。在分析燃?xì)廨啓C(jī)周向非均布熱載荷分布時，選取各測點(diǎn)溫度的平均值為參考值：16116 iiiaTT (2-13)定義各測點(diǎn)溫度相對于平均溫度的偏差為： i adiaT TTT(2-14)2.3.2.1 穩(wěn)定工況下的周向熱載荷在艦用燃?xì)廨啓C(jī)慢車至滿工況之間的不同工作點(diǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)各部件穩(wěn)定正常工作，，燃?xì)廨啓C(jī)周向溫差較小，各測點(diǎn)溫度在均值附近。圖2-20 慢車工況渦輪出口周向溫度變化Fig. 2-20 The variation of circumferent

對流換熱接觸圖3-11 螺栓連接結(jié)構(gòu)接觸及邊界條件Fig.3-11 Schematic for contact of boltedconnection and its boundary condition圖3-12 有限元模型與幾何模型Fig.3-12 Geometry and mesh of boltedconnection螺栓連接結(jié)構(gòu)為周期性對稱結(jié)構(gòu)，各級輪盤周向均布了若干個緊固螺栓，為提高分析效率，選取模型的其中一個扇區(qū)來進(jìn)行分析，具體如圖 3-12 所示。下面將分析艦用燃?xì)廨啓C(jī)快速啟動時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從 0 升至滿工況轉(zhuǎn)速的過程中螺栓結(jié)構(gòu)的溫度分布和結(jié)構(gòu)變形情況。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)空間熱載荷模型分析結(jié)果，在快速啟動過程中，非連續(xù)轉(zhuǎn)子的溫度邊界可以通過式(2-10)給出，螺栓連接結(jié)構(gòu)分析模型采用式(3-15)形式的溫度邊界。3.3.2 快速啟動熱沖擊下非連續(xù)轉(zhuǎn)子熱分析3.3.2.1 熱沖擊下非連續(xù)轉(zhuǎn)子溫度分布研究非連續(xù)轉(zhuǎn)子快速啟動過程中，影響溫度分布的主要因素是輪盤與法蘭連接的接觸熱阻，需要首先考察啟動過程中接觸表面的溫度以及溫差分布。圖 3-13 分別給出了接觸表面某點(diǎn)溫度隨時間變化以及接觸表面溫差隨時
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U674.703.2

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本文編號：2689182