[发明专利]燃气轮机压气机和透平叶片接触刚度和阻尼分析求解方法

说明书

本发明燃气轮机压气机和透平叶片接触刚度和阻尼分析求解方法，该方法以不同运行负荷下的接触强度分析为基础，分别建立点—面接触、线—面接触或面—面接触的摩擦阻尼模型，并结合线性化等效原理和能量耗散原则，获得不同摩擦阻尼器结构的接触刚度、阻尼代理模型，并突破传统方法的局限性，考虑高阶谐波分量的影响，计算接触刚度、阻尼对不同谐波项的等效分量，构建了多工况无量纲等效系数数据库，在数值模型中调用数据库获取相应等效系数，进行接触刚度和阻尼分析计算，为旋转机械叶片摩擦阻尼器的工业减振分析提供代理模型数据库及快速等效求解方法。

技术领域

本发明属于旋转机械叶片振动特性分析方法，特别涉及一种燃气轮机压气机和透平叶片接触刚度和阻尼分析求解方法。

背景技术

在高转速、大功率旋转机械中，其关键部件的减振一直是需要重点关注的问题，例如燃气轮机、压气机和透平叶片等在近共振点处的剧烈振动会产生过度应力而导致结构失效。摩擦阻尼器由于其结构简单、减振效果良好而被广泛应用于工业旋转机械叶片的减振设计中。摩擦阻尼器本质上是由一块金属组成的，常见的形式有阻尼围带、凸台拉金、松拉金、阻尼块等，其通过摩擦作用来耗散振动能量，能够有效抑制部件的振动水平，提高结构的安全可靠性。

在对摩擦阻尼器进行工程设计时，通常认为接触面达到理想的面-面接触状态，并基于基本负荷下受到的正压力载荷，将设计工况下的接触刚度和阻尼转化为接触面的等效刚度系数和等效阻尼系数，代入强非线性动力学方程求解，获得理想接触状态下系统的摩擦阻尼特性。但为适应灵活调峰运行要求，机组需完成快速、深度变负荷运行，此时的工况严重偏离设计工况，并产生交变载荷，使接触面从理想的面-面接触变为点-面接触、线-面接触状态，且不同激振频率下阻尼接触面消耗的能量不同，设计工况下获得的等效刚度和等效阻尼不能适用在整个激振频率范围；而且不同激振力和正压力下，燃气轮机、压气机和透平叶片摩擦阻尼器、叶片叶根与轮缘之间接触界面的刚度和阻尼效果也会随着接触状态的改变发生变化；另一方面，目前的刚度阻尼计算方法主要考虑激励的一阶谐波项，而忽略非线性振动产生的超谐波项以及次谐波项，但当运动周期中滑移和粘滞状态并存且粘滞状态的权重较大时，就必须需要考虑高阶谐波分量对系统振动响应的影响，这些项在共振频带内往往会对振动响应造成很大影响，造成较大的共振频带以及响应估计偏差。

发明内容

本发明的目的是提出一种燃气轮机压气机和透平叶片接触刚度和阻尼分析求解方法，以不同运行负荷下的接触强度分析为基础，分别建立点—面接触、线—面接触或面—面接触的摩擦阻尼模型，并结合线性化等效原理和能量耗散原则，获得不同摩擦阻尼器结构的接触刚度、阻尼代理模型，并突破传统方法的局限性，考虑高阶谐波分量的影响，计算接触刚度、阻尼对不同谐波项的等效分量，增强等效方法估计对不同工况的鲁棒性，为旋转机械叶片—摩擦阻尼器(如燃气轮机、压气机和透平叶片摩擦阻尼器、叶片叶根与轮缘之间的接触摩擦等)的工业减振分析提供代理模型数据库及快速等效求解方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

燃气轮机压气机和透平叶片接触刚度和阻尼分析求解方法，包括以下步骤：

步骤1，根据摩擦阻尼器材料获得相关参数：接触面间摩擦系数μ₀、泊松比ν、弹性模量E和剪切模量G，并通过分析获得不同转速工况下叶片摩擦接触面间的正压力载荷Q，得到接触面等效接触半径R和切向接触刚度k_c；

步骤2，根据运行负荷进行接触强度分析，根据接触面间的应力分布选择相应的摩擦模型来描述接触面间的摩擦阻尼特性，获得微动滑移、宏观滑移状态下的迟滞回线，建立接触面的摩擦阻尼函数模型f-s；

步骤3，采用一阶谐波平衡法，对相对位移和摩擦力进行傅里叶展开，根据线性化等效原则及能量耗散原理，计算得到摩擦接触面间的等效刚度系数K_e和等效阻尼系数C_e；