陶瓷涡轮接触应力的理论分析和试验研究

【摘要】：轴流式陶瓷涡轮叶片的根部与金属轮盘的联接以及径流式陶瓷涡轮与金属轴颈的过盈配合是陶瓷燃气轮机设计制造中的关键问题。据有关资料报导,在陶瓷涡轮的旋转试验中,陶瓷叶片的根部及陶瓷叶轮与金属轴颈的联接处总是首先出现裂纹的地方。本文即为计算这类强度问题寻求解决办法。陶瓷叶片与金属轮盘的联接或陶瓷叶轮与金属轴颈的过盈配合在正常工作情况下属受热状态下的弹性接触问题。弹性接触问题是个边界待定的非线性问题,当考虑摩擦时,它还是个不可逆过程。而受热状态下的弹性接触问题则更是一种复杂的非线性问题。如果用常规的有限元方法迭代求解,则计算工作量巨大。本文建立了一种有限元计算模型,形成了分别以接触点的接触力和热流为未知量的矩阵方程,把接触问题的非线性凝聚到少量接触点上,从而大大减少了迭代计算工作量。为研究燕尾形叶根接触应力的特点以及验证本文的有限元计算方法,本文制做了一副叶根与轮盘接触的光弹模型,其中叶根与轮盘材料的弹性模量之比等于陶瓷与金属弹性模量之比。用这副模型在不同载荷下进行了普通光弹试验和全息光弹试验。本文还应用了先进的数字图像处理技术,编制了一整套处理光弹图像的软件,得到了模型叶根的应力分布。用本文的有限元计算方法,我们对叶根接触光弹模型的应力分布进行了数值计算,并与实验结果进行比较。结果表明,二者的变化规律一致,数值接近。最后,我们计算了某轴流式陶瓷燃气轮机陶瓷叶片根部的应力分布。利用本文的方法也能计算径流式陶瓷涡轮的接触应力。