轉(zhuǎn)子--軸承--密封系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械在實(shí)際應(yīng)用中日益向高性能、大容量方向發(fā)展,促使流體與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子之間的流固耦合作用不斷增加,從而對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。目前大量的研究表明,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性因素對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性影響很大,其中尤以非線性油膜力和非線性密封力的影響最為顯著。本文即是針對(duì)這一問(wèn)題,采用了理論建模、數(shù)值仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究路線,圍繞著密封力數(shù)學(xué)模型的建立和轉(zhuǎn)子一軸承一密封耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析兩個(gè)主題展開(kāi)。較為深入的探討了轉(zhuǎn)子一軸

2、承一密封耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,相應(yīng)的研究工作得到了國(guó)家863項(xiàng)目(編號(hào):2002AA52613-8)和國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):10572087)的資助。主要內(nèi)容如下:
　　 從理論分析與工程應(yīng)用的角度出發(fā),簡(jiǎn)要介紹了本文的選題背景與研究意義。并對(duì)非線性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及密封力在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了較為全面的闡述。
　　 在國(guó)家863項(xiàng)目“超超臨界汽輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”的資助下,建造了轉(zhuǎn)子一軸承一密封

3、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)。本試驗(yàn)臺(tái)只是縮小了轉(zhuǎn)子的尺寸,密封件模型仍保持與實(shí)際汽輪機(jī)完全相同的結(jié)構(gòu)形式,且轉(zhuǎn)子支承形式、轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速的比值等重要參數(shù)都接近于汽輪機(jī)的真實(shí)情況,保證了試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與實(shí)際大型汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有較好的相似度,可用于汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究。
　　 詳細(xì)介紹了用雙控體模型計(jì)算平齒密封動(dòng)特性系數(shù)的方法,并在原有的模型中引入了密封齒高,使得改進(jìn)后的雙控體模型計(jì)算密封的動(dòng)特性系數(shù)與實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近

4、,這說(shuō)明用該模型來(lái)預(yù)測(cè)密封的動(dòng)特性系數(shù)是可行的。通過(guò)應(yīng)用該模型,進(jìn)一步研究了密封中的入口預(yù)旋速度對(duì)等效動(dòng)力特性系數(shù)、密封力對(duì)系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速和一階對(duì)數(shù)衰減率的影響,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:隨著密封入口預(yù)旋速度的增加,交叉剛度系數(shù)也要增加；與未考慮密封力的轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)相比,在考慮了密封力與轉(zhuǎn)子相互作用后,轉(zhuǎn)子一軸承一密封系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速有所下降,這是因?yàn)橹髯枘岬挠绊懶Ч笥诮徊鎰偠鹊挠绊?而且隨著密封入口壓力的增大,下降幅度也會(huì)進(jìn)一步增加；密封

5、入口預(yù)旋對(duì)轉(zhuǎn)子一軸承一密封系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響較為復(fù)雜:正向預(yù)旋越大,一階對(duì)數(shù)衰減率越小,則系統(tǒng)穩(wěn)定性越差,當(dāng)正、反向入口預(yù)旋速度的絕對(duì)值相等時(shí),反向預(yù)旋速度的情況下計(jì)算的一階對(duì)數(shù)衰減率大于正向預(yù)旋速度時(shí)的一階對(duì)數(shù)衰減率,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高,但反向預(yù)旋速度也并非越大越好,如果太大,反而使系統(tǒng)的一階對(duì)數(shù)衰減率降低。將數(shù)值仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)論較一致,驗(yàn)證了改進(jìn)后的雙控制體模型的有效性。
　　 將試驗(yàn)臺(tái)的復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡(jiǎn)化為J

6、effcott轉(zhuǎn)子系統(tǒng),并引用短軸承理論和Muszynska密封力模型分別建立了油膜力和密封力的非線性模型,從而進(jìn)一步建立了轉(zhuǎn)子-軸承-密封系統(tǒng)非線性振動(dòng)方程。首先依據(jù)試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真,其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上較為一致,證明建立的非線性轉(zhuǎn)子-軸承-密封模型的有效性,為進(jìn)一步的理論研究提供了可行性技術(shù)。接著應(yīng)用數(shù)值分析方法對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心、密封間隙和密封入口壓力這些關(guān)系轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的重要因素進(jìn)行研究,采用分叉

7、圖,Poincare映射、軸心軌跡、頻譜圖以及最大Lyapunov指數(shù)從不同的側(cè)面描述并揭示了耦合系統(tǒng)的單周期運(yùn)動(dòng)、倍周期運(yùn)動(dòng)、多周期運(yùn)動(dòng)和擬周期運(yùn)動(dòng),以及這些運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化與演變過(guò)程。
　　 應(yīng)用有限元方法建立轉(zhuǎn)子-軸承-密封系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。首先依據(jù)轉(zhuǎn)子-軸承-密封試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真,其結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符,驗(yàn)證了建立的復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型的正確性。接著通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子-軸承-密封系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)分析,