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毕业设计（论文）

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利用ANSYS和坎贝尔图对燃气轮机压气机转子模态及临界转速的分析计算

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利用ANSYS和坎贝尔图对燃气轮机压气机转子模态及临界转速的分析计算

摘要：本文针对燃气轮机压气机转子进行模态分析及临界转速计算，采用ANSYS软件进行有限元建模，并利用坎贝尔图对模态结果进行分析。首先，对燃气轮机压气机转子进行结构分析，确定其几何参数和材料属性；其次，建立有限元模型，进行模态分析，得到转子的固有频率和振型；然后，通过坎贝尔图分析转子的临界转速，评估其运行安全性；最后，对分析结果进行讨论，提出改进措施。本文的研究成果为燃气轮机压气机转子的设计、制造和运行提供了理论依据，具有一定的工程应用价值。

燃气轮机作为一种高效、清洁的能源转换设备，在电力、石油、化工等领域得到广泛应用。压气机作为燃气轮机的重要组成部分，其性能直接影响着整个系统的运行效率。压气机转子作为压气机的核心部件，其模态特性对压气机的运行稳定性至关重要。因此，对燃气轮机压气机转子进行模态分析及临界转速计算具有重要的工程意义。本文通过ANSYS软件对燃气轮机压气机转子进行有限元建模，并利用坎贝尔图分析其模态及临界转速，为燃气轮机压气机转子的设计、制造和运行提供理论依据。

一、1.燃气轮机压气机转子结构分析

1.1压气机转子结构特点

(1)压气机转子是燃气轮机中关键的旋转部件，其主要功能是将空气压缩到一定压力，为后续燃烧室提供必要的高温高压气体。转子的结构设计直接影响着压气机的效率、可靠性和寿命。压气机转子通常由多个叶片和轮盘组成，叶片安装在轮盘上，通过叶片的旋转来实现空气的压缩。转子的叶片和轮盘材料需具备高强度、高刚度和耐高温的特性，以确保在高温高压环境下长期稳定运行。

(2)压气机转子的叶片形状和尺寸对压气机的性能有着至关重要的影响。叶片的形状决定了气流在叶片上的流动路径，而叶片的尺寸则影响着气流的流量和压力。通常，叶片采用流线型设计，以减少气流阻力，提高气动效率。叶片的制造工艺要求精密，以确保叶片与轮盘的配合精度，从而降低振动和噪音。

(3)压气机转子的设计还需考虑叶片的排列方式，包括叶片的数目、角度和间隙等。叶片的数目和角度影响压气机的压缩效率，而叶片间隙则对气流泄漏和效率有重要影响。转子的整体结构设计需满足强度和刚度的要求，同时还要考虑到转子在高速旋转时的热膨胀和振动问题。因此，压气机转子的设计是一个复杂的多学科交叉问题，涉及流体力学、结构力学和材料科学等多个领域。

1.2压气机转子几何参数

(1)压气机转子的几何参数包括叶片数目、叶片外径、叶片内径、叶片高度、轮盘直径、轮盘厚度以及叶片间隙等。以某型燃气轮机压气机转子为例，其叶片数目为18片，叶片外径为500mm，叶片内径为200mm，叶片高度为150mm，轮盘直径为600mm，轮盘厚度为25mm，叶片间隙为2mm。这些参数直接关系到转子的压缩性能和气动效率。

(2)在压气机转子设计中，叶片外径和内径是关键参数之一。叶片外径决定了转子的整体尺寸，同时也影响到转子的临界转速和振动特性。叶片内径则关系到叶片的气动效率和叶片与轮盘的配合精度。以某型燃气轮机为例，叶片外径从压气机入口处的400mm逐渐减小到出口处的300mm，内径从压气机入口处的180mm逐渐减小到出口处的150mm。这种变化既满足了气动需求，又确保了足够的强度和刚度。

(3)叶片高度是影响转子压缩效率的重要参数。叶片高度的增加可以提高压缩效率，但同时也可能导致转子的重量增加，从而影响其临界转速和振动特性。以某型燃气轮机压气机转子为例，叶片高度为150mm，这种高度既保证了压缩效率，又满足了结构强度和刚度的要求。此外，轮盘直径和厚度也是重要的几何参数。轮盘直径决定了转子的整体尺寸和重量，轮盘厚度则影响到转子的刚度和振动特性。以某型燃气轮机压气机转子为例，轮盘直径为600mm，厚度为25mm，这种尺寸既满足了结构要求，又确保了转子的稳定性。

1.3压气机转子材料属性

(1)压气机转子的材料选择对于保证其在高温、高压和高速旋转环境下的性能至关重要。常用的转子材料包括合金钢和高温合金。合金钢如347H钢和321钢，因其良好的综合性能而被广泛应用于低压转子中。这些材料具有良好的强度、韧性和耐腐蚀性，能够在450℃以下的温度下保持稳定。

(2)对于高温转子和高压转子，通常采用镍基高温合金，如Inconel718、Inconel625和Inconel738X。这些材料在600℃以上的高温下仍能保持优异的力学性能和抗氧化能力。以Inconel718为例，其最高使用温度可达725℃