盘式周向拉杆转子多粗糙界面跨尺度传热机理与热态接触效应研究

There are various and complex contact interface behaviors between different parts and their accumulative effects are much more sophisticated when designing the distributed rod fastening rotor in gas turbines. It is the first thing that investigating the heat transfer mechanisms including convective heat transfer and contact heat transfer to make sure the global properties of distributed rod fastening rotor. Aiming at the current research status, the optimum design of distributed rod fastening rotor is taken as the final objective. Different techniques like theoretical analysis, experimental research, numerical simulation et al are taken to study the formation mechanisms of contact heat transfer, convective heat transfer and thermal contact effects synthetically on both macro scale and micro scale. And then superimposed multi-rough-interface static model and dynamic model of the rotor withstanding the multi-factor coupling actions are formulized, and the fast and efficient multidisciplinary optimization strategies and algorithms are designed. Finally, a set of methods and technique modes are summarized, which is demonstrated for certain gas turbine design and manufacturing.

在燃气轮机盘式周向拉杆转子设计中，零部件间的粗糙界面行为及其叠加粗糙多界面效应多样而复杂，明确复杂界面间的传热（对流换热和接触传热）机理与接触效应是研究燃气轮机拉杆转子整体特性的基础。针对目前的研究现状，本项目以燃气轮机拉杆转子优化设计为背景，综合利用理论分析、试验研究和数值仿真等手段，跨尺度分析拉杆转子各粗糙界面之间的接触传热、对流换热、热态接触效应产生机理，构建多因素耦合作用下的多粗糙叠加界面转子整体静动态特性模型，设计快速高效的多学科优化策略和算法，最终总结出一套支持拉杆转子设计与优化的有效方法和技术模式，为大型燃气轮机的合理设计奠定理论基础。

燃气轮机是继汽轮机后的主要发电装置，正在形成一个“爆发性增长”的市场。燃气轮机在我国尚未实现产品整套自行设计和制造，发达国家在技术上实行严格控制、保密。燃气轮机是典型的高新技术密集型产品，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。.项目基于分形接触理论，研究了盘式拉杆转子轮盘结合面的接触刚度模型、接触热阻模型、弯曲耦合模型、扭转耦合模型和拉杆转子—滑动轴承系统的动力学模型。在上述基础上，采用理论与试验相结合的方法，研究了拉杆转子复杂界面热态接触机理、接触效应、微凸体接触力学等科学问题；研究了结合面复杂界面接触传热、接触热阻机理及其温度场分布规律；研究了拉杆转子—滑动轴承系统的固有振动特性、临界转速、不平衡响应和失谐情况下的动力学特性；研究了预紧力、结合面粗糙度、温度变化变化对系统动力学特性的影响规律，为转子结构的优化设计提供了依据；基于某型燃气轮机拉杆转子，研究了热固耦合情况下，转子的温度场、应力场分布特点及其对拉杆转子模态的影响，研究了不同工况下拉杆转子应力场变化特点和的疲劳寿命，并对拉杆转子透平鼓筒局部结构进行了初步优化分析。.研究发现：拉杆预紧力越大、接触面粗糙度越小，转子轮盘接触刚度越大；轮盘结合面接触传热系数随拉杆预紧力的增大而增大、随接触面粗糙度的增大而减小、随轮盘温度的上升呈增大趋势。拉杆预紧力增大时，拉杆转子—滑动轴承系统的横向和扭转振动固有频率同步增大；临界转速随预紧力的增加而上升，随粗糙度的减小而上升；粗糙度越大，临界转速对粗糙度的变化越敏感；转子温度升高，系统临界转速将下降；当发生失谐现象时，转子固有频率将下降。透平机鼓筒内倒角处应力集中明显，是转子的危险部位；减少转子冷态启停的次数，可以减小转子的低周疲劳寿命损耗。.分形接触理论仅适用于粗糙度较小、预紧力较大的场合，因此，对拉杆转子轮盘结合面的接触问题，还需要进一步研究。