摘要
叶片在电厂、飞机、轮船及动力机械等领域应用非常广泛，如汽轮机叶片、船和飞机的螺旋桨、风电厂风机叶片等。叶片作为动力机械中重要的零件。汽轮机叶片的振动问题一直以来都影响着汽轮机的安全运行，汽轮机低压缸末级叶片作为汽轮机的主要部件也对整个机组能否安全的运行是很重要的。汽轮机低压缸末级叶片是汽轮机非常的重要的零件，在汽轮机的所有故障中末级叶片的损坏概率较大。其工作环境非常复杂，工作中激振力将会持续作用到叶片上，当叶片固有频率和激振频率相同时会发生共振的情况，将会导致叶片疲劳断裂。 针对以上问题，为了改善汽轮机低压缸末级叶片性能，本文以600MW汽轮机组低压缸末级叶片为研究对象，基于悬臂梁理论和三明治板理论将石墨烯与叶片材料混合作为叶片涂层来改善叶片性能。具体进行了以下几方面的研究工作： (一)使用能量法建立石墨烯增强材料的汽轮机末级直/扭叶片力学模型，应用假设模态法建立动力学微分方程并求解。基于板壳的振动理论和悬臂板的能量方程，利用Hamilton原理推导出多载荷下的悬臂夹层板数学模型。积分求解整个系统动能，运用假设模态法，得到系统的运动微分方程，并使用Runge-Kutta法高精度单步求解运动微分方程，求得叶片振动频率及振动图型。 (二)利用MATLAB软件求解汽轮机末级直/扭夹层叶片力学模型的振动方程并利用有限元软件进行仿真分析。编写汽轮机末级叶片力学模型的能量方程与动力学微分方程程序，代入到MATLAB软件中进行计算，对比计算与有限元分析结果误差小于5%，验证分析的准确性。讨论扭转角度、旋转速度对汽轮机末级叶片的振动特性的影响。根据夹层叶片模型分析结果，建立石墨烯增强材料增强涂层末级叶片力学模型并进行有限元分析。 (三)根据实际叶片模型设计带有石墨烯增强材料涂层汽轮机末级叶片并对其仿真分析。有限元分析结果为石墨烯增强材料涂层末级叶片振动频率大于原叶片振动频率，进一步验证石墨烯增强材料涂层能改善叶片力学性能。讨论旋转速度、石墨烯含量、石墨烯纳米片尺寸等因素对汽轮机末级叶片的振动特性的影响。
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