考慮基礎(chǔ)振動(dòng)和流固相互作用的泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力研究.pdf

1、泵是一種把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能和動(dòng)能的設(shè)備。泵類(lèi)設(shè)備應(yīng)用廣泛，是能源，電力，石化，航空航天等領(lǐng)域的重要設(shè)備。大部分泵都屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的組成部分一般包括轉(zhuǎn)子，軸承，密封和基礎(chǔ)。隨著人們對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究的深入，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要滿足對(duì)高效率運(yùn)行的追求，還要考慮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的性質(zhì)。只有充分了解轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性性質(zhì)，才能準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子安全運(yùn)行的工作轉(zhuǎn)速區(qū)間，才能更好的識(shí)別轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)。區(qū)別于傳統(tǒng)的線性研究，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

2、的非線性研究不再將軸承力和密封力分解成八個(gè)線性化系數(shù)，而是在非線性模型內(nèi)綜合考慮小間隙內(nèi)流體慣性力效應(yīng)和外阻尼引起的循環(huán)力效應(yīng)等。此外，旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子與流體相互作用，具有明顯的流固耦合特征。粘性流體以壓力的形式作用于固體表面，固體的運(yùn)動(dòng)又時(shí)刻改變著流場(chǎng)的邊界?？紤]到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受非線性力作用后響應(yīng)的復(fù)雜性，盡管人們對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究已有數(shù)十年，但是仍有許多非線性問(wèn)題值得深入研究。研究的成果不僅能對(duì)解釋轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象提供理論依據(jù)，還可以更好

3、的為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考基礎(chǔ)。
　　本文以泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為研究對(duì)象，并使用Lagrange法建立了多自由度轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程。應(yīng)用能自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)的Runge-Kutta-Fehlberg法求解微分運(yùn)動(dòng)方程組。考察轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速，計(jì)算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可運(yùn)行區(qū)間，研究在基礎(chǔ)振動(dòng)情況下系統(tǒng)的響應(yīng)，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)法（Computational Fluid Dynamics-CFD）和徑向基函數(shù)法(Radial Basic Funct

4、ion-RBF)得到與流場(chǎng)相關(guān)的密封動(dòng)力學(xué)系數(shù)的響應(yīng)曲面并進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，還完成了帶有葉片的葉輪在流體中轉(zhuǎn)動(dòng)的流固耦合分析。本文的主要工作有如下幾個(gè)方面:
　　1.建立帶有非線性油膜力軸承模型的泵轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程。使用Matlab編程求解微分運(yùn)動(dòng)方程組。采用諸如分岔圖，龐加萊圖和相圖等非線性方法，分別研究了水平放置轉(zhuǎn)子和豎直放置轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)考察系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速變化的振幅，找到系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速。綜合幅頻曲線圖，軸

5、心軌跡圖和瀑布圖結(jié)果考察軸承處的油膜失穩(wěn)，分別識(shí)別出“油膜渦動(dòng)”和“油膜振蕩”現(xiàn)象，給出油膜渦動(dòng)的失穩(wěn)角速度。計(jì)算結(jié)果證明了建模方法的適用性，該方法既可以應(yīng)用于對(duì)稱轉(zhuǎn)子，也適用于質(zhì)量偏置的情況。計(jì)算得到的一階臨界轉(zhuǎn)速，分岔點(diǎn)和失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，為泵轉(zhuǎn)子運(yùn)行區(qū)間和隔離裕度設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　2.建立了考慮基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的泵轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程。采用時(shí)程分析法，將地震波和正弦型激勵(lì)作為基礎(chǔ)振動(dòng)加載，分別研究了水平放置轉(zhuǎn)子和豎直放置轉(zhuǎn)子

6、在基礎(chǔ)振動(dòng)作用時(shí)的非線性響應(yīng)。選用的水平放置轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速較低，在地震波作用時(shí)，在頻域內(nèi)得到一階臨界轉(zhuǎn)速。而豎直放置轉(zhuǎn)子因?yàn)橐浑A臨界轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，在地震波作用時(shí)，在頻域內(nèi)沒(méi)有得到一階臨界轉(zhuǎn)速。但是豎直放置轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)速半頻成分的最低轉(zhuǎn)速降低了。當(dāng)非線性系統(tǒng)受到離心力和正弦型基礎(chǔ)振動(dòng)共同作用時(shí)，得到了多自由度系統(tǒng)的組合共振現(xiàn)象，即系統(tǒng)的頻率響應(yīng)包含多個(gè)有內(nèi)在聯(lián)系的成份。這些成分中不僅包含轉(zhuǎn)速的頻率和基礎(chǔ)振動(dòng)頻率，還包含轉(zhuǎn)速的頻率和基礎(chǔ)振動(dòng)

7、的頻率的整數(shù)倍數(shù)的代數(shù)和。計(jì)算結(jié)果不僅證明了在一定條件下，多自由度的非線性系統(tǒng)存在組合共振的現(xiàn)象;還可以為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)作用時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別提供理論依據(jù)。
　　3.基于CFD和RBF法得到泵密封內(nèi)與流場(chǎng)相關(guān)系數(shù)的近似函數(shù)曲面，研究了變系數(shù)的轉(zhuǎn)子-軸承-密封系統(tǒng)的非線性性質(zhì)。Muszynska非線性密封力模型因?yàn)槠湫问胶?jiǎn)潔，物理意義明確等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。求解該模型中所用的系數(shù)，例如進(jìn)口損失系數(shù)、軸向流速和流體周向平均流速

8、比都與流場(chǎng)狀態(tài)密切相關(guān)。但之前在該密封力模型的使用中，這些系數(shù)通常采用常數(shù)或者經(jīng)驗(yàn)公式代替。在進(jìn)、出口邊界條件一定的情況下，密封內(nèi)的流場(chǎng)由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和相對(duì)偏心率決定。本文中使用CFD方法得到了不同轉(zhuǎn)速、不同偏心率時(shí)的系數(shù);再使用RBF方法擬合出這些系數(shù)的近似函數(shù)曲面。這些曲面作為系數(shù)，在求解運(yùn)動(dòng)方程的過(guò)程中每一步都根據(jù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)的偏心率調(diào)用近似函數(shù)曲面上的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)方法更為精確的瞬態(tài)分析。該方法為分析轉(zhuǎn)子-軸承-密封系統(tǒng)的非

9、線性性質(zhì)提供了新的思路。
　　4.使用有限元軟件ADINA完成了流固耦合模擬計(jì)算，研究了軸流式泵轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。在流固耦合面使用非滑移條件，采用迭代方法計(jì)算固體域的變形和流體域的流動(dòng)。與傳統(tǒng)的流固耦合研究不同的是，本文基于運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和周?chē)黧w網(wǎng)格的真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。在不同軸向流速條件下，得到了轉(zhuǎn)子中心軌跡，位移和加速度信號(hào)的頻率響應(yīng)和瞬態(tài)流動(dòng)，識(shí)別出轉(zhuǎn)子“濕態(tài)”臨界頻率。通過(guò)對(duì)比轉(zhuǎn)子是否繞轉(zhuǎn)軸渦動(dòng)的結(jié)果可以看出流固