【摘要】： 隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械在實際應(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,從而對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。目前大量的研究表明,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性因素對系統(tǒng)的動力學(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。本文即是針對這一問題,采用了理論建模、數(shù)值仿真及試驗驗證相結(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—軸承—密封耦合系統(tǒng)的動力學(xué)特性分析兩個主題展開。較為深入的探討了轉(zhuǎn)子—軸承—密封耦合系統(tǒng)的動力學(xué)特性,相應(yīng)的研究工作得到了國家863項目(編號:2002AA52613-8)和國家自然科學(xué)基金資助項目(編號: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),簡要介紹了本文的選題背景與研究意義。并對非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)及密封力在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢進(jìn)行了較為全面的闡述。 在國家863項目“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—軸承—密封系統(tǒng)動力學(xué)試驗臺。本試驗臺只是縮小了轉(zhuǎn)子的尺寸,密封件模型仍保持與實際汽輪機(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)的真實情況,保證了試驗臺轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與實際大型汽輪機(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)振動特性的試驗研究。 詳細(xì)介紹了用雙控體模型計算平齒密封動特性系數(shù)的方法,并在原有的模型中引入了密封齒高,使得改進(jìn)后的雙控體模型計算密封的動特性系數(shù)與實測結(jié)果更為接近,這說明用該模型來預(yù)測密封的動特性系數(shù)是可行的。通過應(yīng)用該模型,進(jìn)一步研究了密封中的入口預(yù)旋速度對等效動力特性系數(shù)、密封力對系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速和一階對數(shù)衰減率的影響,得到以下幾點結(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—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—軸承—密封系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速有所下降,這是因為主阻尼的影響效果大于交叉剛度的影響,而且隨著密封入口壓力的增大,下降幅度也會進(jìn)一步增加;密封入口預(yù)旋對轉(zhuǎn)子—軸承—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)旋速度的絕對值相等時,反向預(yù)旋速度的情況下計算的一階對數(shù)衰減率大于正向預(yù)旋速度時的一階對數(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)的一階對數(shù)衰減率降低。將數(shù)值仿真結(jié)果和試驗結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)論較一致,驗證了改進(jìn)后的雙控制體模型的有效性。 將試驗臺的復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡化為Jeffcott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)非線性振動方程。首先依據(jù)試驗臺參數(shù)對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真,其結(jié)果與試驗結(jié)果在趨勢上較為一致,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)動力學(xué)特性的重要因素進(jìn)行研究,采用分叉圖,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)的單周期運動、倍周期運動、多周期運動和擬周期運動,以及這些運動形式的轉(zhuǎn)化與演變過程。 應(yīng)用有限元方法建立轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)的動力學(xué)模型。首先依據(jù)轉(zhuǎn)子—軸承—密封試驗臺的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真,其結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相符,驗證了建立的復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)分析模型的正確性。接著通過對轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)的非線性動力學(xué)分析,配合轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖、頻譜圖、瀑布圖,以及隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的分叉圖,揭示了綜合考慮非線性油膜力與非線性密封力后,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的變化。最后將結(jié)果與采用簡單的Jeffcott模型分析的結(jié)果相比,得出使用有限元法構(gòu)造轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)的模型進(jìn)行數(shù)值仿真的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)更接近的結(jié)論。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TH113
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 選題背景
    1.2 國內(nèi)外轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
    1.3 國內(nèi)外密封力的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 密封工作機(jī)理
        1.3.2 密封流體激振機(jī)理
        1.3.3 密封激振力模型
        1.3.4 密封試驗研究
    1.4 本文主要研究內(nèi)容
第二章 轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)動力學(xué)特性試驗
    2.1 引言
    2.2 試驗裝置
        2.2.1 試驗臺
        2.2.2 動力控制系統(tǒng)
        2.2.3 潤滑系統(tǒng)
        2.2.4 氣路系統(tǒng)
        2.2.5 測試系統(tǒng)
    2.3 試驗中轉(zhuǎn)速的選擇
    2.4 試驗內(nèi)容
    2.5 本章小結(jié)
第三章 雙控制體模型計算平齒迷宮密封動特性系數(shù)
    3.1 引言
    3.2 密封齒在轉(zhuǎn)子上的迷宮密封動特性系數(shù)
        3.2.1 基本方程
        3.2.2 零階解
        3.2.3 一階解
        3.2.4 計算動特性系數(shù)
    3.3 密封齒在靜子上的迷宮密封動特性系數(shù)
    3.4 雙控體模型計算結(jié)果與分析
        3.4.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對等效動特性系數(shù)的影響
        3.4.2 入口預(yù)旋速度對等效動特性系數(shù)的影響
        3.4.3 密封間隙對等效動特性系數(shù)的影響
        3.4.4 密封齒數(shù)對等效動特性系數(shù)的影響
    3.5 密封力對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性影響
        3.5.1 密封力對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響
        3.5.2 密封力對轉(zhuǎn)子一階對數(shù)衰減率的影響
    3.6 本章小結(jié)
第四章 轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特性分析
    4.1 引言
    4.2 數(shù)學(xué)模型
        4.2.1 密封力非線性模型
        4.2.2 油膜力非線性模型
        4.2.3 轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)非線性方程
    4.3 分析方法
    4.4 試驗與計算結(jié)果分析
    4.5 數(shù)值仿真
        4.5.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子動力特性的影響
        4.5.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心對轉(zhuǎn)子動力特性的影響
        4.5.3 密封間隙對轉(zhuǎn)子動力特性的影響
        4.5.4 密封入口壓力對轉(zhuǎn)子動力特性的影響
    4.6 本章小結(jié)
第五章 有限元法建立轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)動力學(xué)模型
    5.1 引言
    5.2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)模型
    5.3 Newmark 方法
    5.4 數(shù)值仿真
    5.5 本章小結(jié)
第六章 轉(zhuǎn)子—軸承—密封系統(tǒng)振動分析軟件
    6.1 引言
    6.2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動分析軟件
    6.3 軟件的應(yīng)用
    6.4 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 全文工作總結(jié)
    7.2 主要創(chuàng)新點
    7.3 研究展望
參考文獻(xiàn)
附錄一 符號與標(biāo)記
攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文
攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項目
攻讀博士學(xué)位期間所獲榮譽(yù)
致謝

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本文編號：2878980