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9F燃气轮机排气系统结构设计及分析

作　者: 孙磊
导　师: 顾力强；刘锋
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计
关键词: 燃气轮机排气传热结构有限元
分类号: TK473
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

燃气轮机具有效率高,起停迅速,可使用多种可燃废气,占地面积小及可靠环保等特点。因而广泛应用于电厂及其它大功率输出的地方。排气系统作为燃气轮机的重要辅助系统,对其效率及正常工作有很大影响。但由于燃气轮机排气系统工作环境十分复杂和恶劣,除受到风和地震等自然环境造成的载荷外,还受到高温燃气的影响,排气系统结构的安全性受到极大的威胁。在电厂的实际运行中已陆续出现多起由于排气系统壳体过热或衬板脱落的情况。本文结合9F燃气轮机排气扩张管的设计项目,使用有限元软件Ansys建立排气扩张管模型,对其进行传热及热结构耦合有限元分析计算,对影响排气扩张管温度和结构强度各因素进行研究。并在此基础上结合行业规范和公司设计标准对排气扩张管进行优化设计。从而在本次设计中消除以往产品运行中出现的失效情况。并在保证产品质量的前提下,降低产品成本,缩短研制周期。本文首先对排气扩张管的结构及防热初步设计方案进行研究和阐述;并结合行业规范和公司标准提出排气扩张管的设计要求。然后研究排气扩张管的热工况、温度分布、温升及各因素对温度分布和温升的影响,并提出合理的隔热设计方案。同时对环境载荷、结构载荷、基础载荷组合及它们对结构的影响进行计算和研究。并在此基础上对排气扩张管的设计进行优化。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-8
第一章绪论  8-15
  1.1 研究工作背景  8-10
  1.2 国内外研制现状  10-13
    1.2.1 国内外钢结构的研究发展  10-11
    1.2.2 有限元方法简介  11-12
    1.2.3 ANSYS 有限元软件简介  12-13
  1.3 论文内容  13-15
第二章结构初步设计  15-23
  2.1 9F 型燃气轮机排气系统接口概述  15
  2.2 排气系统初步设计方案  15-19
  2.3 影响排气扩张管结构的主要参数  19-21
  2.4 设计指标  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第三章热分析  23-46
  3.1 热分析的目的  23
  3.2 传热的有限元法概述  23-27
    3.2.1 热传导问题的基本方程  23-25
    3.2.2 稳态热传导问题的有限元分析  25-26
    3.2.3 瞬态热传导问题的有限元分析  26-27
  3.3 排气扩张管传热模型  27-29
  3.4 边界条件与载荷  29-33
    3.4.1 燃气温度  29-30
    3.4.2 排气扩张管的热阻  30-33
    3.4.3 喷淋管温度  33
  3.5 热分析结果及讨论  33-45
    3.5.1 稳态热分析  33-43
    3.5.2 瞬态热分析  43-45
  3.6 本章小结  45-46
第四章热结构耦合分析  46-78
  4.1 热应力理论  46-48
    4.1.1 热应力概述  46-47
    4.1.2 热应力的有限元法  47-48
  4.2 壳体有限元理论  48-55
    4.2.1 坐标系统  49-52
    4.2.2 单元的几何描述  52
    4.2.3 位移模式  52-54
    4.2.4 应力与应变  54-55
  4.3 排气扩张管壳体的热结构耦合分析模型  55
  4.4 排气扩张管壳体边界条件  55-60
    4.4.1 自由度约束  55-56
    4.4.2 排气扩张管载荷  56-59
    4.4.3 基础载荷组合  59-60
  4.5 排气扩张管壳体计算结果  60-73
    4.5.1 热应力计算  60-64
    4.5.2 针对初步结构设计的载荷组合计算  64-68
    4.5.3 排气扩张管壳体优化设计  68-73
  4.6 排气扩张管衬垫的分析及改进设计  73-77
  4.7 本章小结  77-78
第五章模态分析  78-87
  5.1 模态分析的理论基础  78-79
  5.2 排气扩张管壳体的模态分析过程  79-81
  5.3 分析结果  81-85
    5.3.1 冷状态下的分析结果  81-83
    5.3.2 热状态下的分析结果  83-85
  5.4 本章小结  85-87
第六章总结与展望  87-89
  6.1 总结  87-88
  6.2 展望  88-89
参考文献  89-91
致谢  91-92
攻读硕士学位期间发表的学术论文  92-94

9F燃气轮机排气系统结构设计及分析

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