第一章緒論

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在人類的工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中一直發(fā)揮著非常重要的作用以。不同類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械,如汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等在能源與動(dòng)力行業(yè)有著不可替代的作用,特別隨著航空工業(yè)的發(fā)展,燃?xì)廨啓C(jī)日益成為飛機(jī)性能、可靠性和制造成本的決定性因素。因此,為了能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國防事業(yè)的需要,對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械特別是燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行深入的研究是十分必要的。作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一種,燃?xì)廨啓C(jī)也由轉(zhuǎn)動(dòng)件和靜件組成。一般來說,為了能夠使得轉(zhuǎn)動(dòng)件能夠平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)件和靜件之間存在一定的間隙。但是這一間隙的大小往往對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的性能有著非常關(guān)鍵的影響,特別是對(duì)于流通部分和密封部分,當(dāng)間隙值過大時(shí),會(huì)造成氣流泄露過大,從而嚴(yán)重影響燃?xì)廨啓C(jī)的整體效率,對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī),其推力甚至穩(wěn)定性都會(huì)因此降低。為減小由于這種泄露引起的內(nèi)流損失,一方面可以采取更好的密封手段,如刷式密封和蜂窩密封等等文獻(xiàn)表明這些密封形式的使用可以使得耗油率降低1%-2%,另一方面可以采用減小葉輪和機(jī)厘之間的間隙的辦法,從而減小泄露氣流對(duì)流場(chǎng)的影響.

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第二章葉片/機(jī)昆接觸力模型和葉輪轉(zhuǎn)子/機(jī)厘碰摩力模型

2.1碰摩葉片撓度曲線

注意到在實(shí)際的透平機(jī)械中,葉片的截面積一般是變化的,在葉根處截面積較大而在葉尖截面積較小。然而事實(shí)上采用平均葉片截面積的對(duì)碰摩力的影響不大。圖2-3中我們給出了截面積沿著展向線性變化的葉片燒度曲線與采用葉片截面積平均值作為等效值的等截面梁的燒度曲線進(jìn)行對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)兩者的差異很小。另一方面,實(shí)際透平機(jī)械中葉片的幾何形狀往往差別很大,大型汽輪機(jī)的低壓級(jí)葉片和燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)低壓級(jí)葉片一般較長(zhǎng)且彎扭程度較高,葉片在碰摩時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形往往不能忽略,因此懸臂梁假設(shè)可能存在一定的誤差;然而對(duì)于透平機(jī)械的高壓級(jí)葉片,如燃?xì)廨啓C(jī)中高壓級(jí)蝸輪的葉片一般較短且彎扭程度很小,基本能夠滿足懸臂梁的基本假設(shè),因此本文中的簡(jiǎn)化可行。

2.2葉輪轉(zhuǎn)子-機(jī)厘碰摩力模型

本章構(gòu)造了考慮機(jī)厘局部非線性變形和葉片旋轉(zhuǎn)剛化效應(yīng)的碰摩葉片燒度方程,通過幕級(jí)數(shù)方法對(duì)其進(jìn)行了近似求解,還分析了構(gòu)造方程中所使用的假設(shè)的合理性。根據(jù)這一近似解和葉輪/機(jī)厘在碰摩時(shí)的幾何關(guān)系,本章提出了一種新的葉輪轉(zhuǎn)子/機(jī)區(qū)局部碰摩力模型。

第三章跨中轉(zhuǎn)子碰摩的動(dòng)力學(xué)響應(yīng).........19

3.1轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)方程......19

3.2不同剛度和阻尼系數(shù)下的轉(zhuǎn)子碰摩響應(yīng)特點(diǎn)......22

3.3fN頻率的物理意義......36

3.4葉輪轉(zhuǎn)子/機(jī)厘的局部碰摩過程......39

3.5葉片幾何參數(shù)的影響......43

第四章非跨中轉(zhuǎn)子碰摩的建模與數(shù)值分析......59

4.1非跨中轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)方程......59

4.2非跨中葉輪轉(zhuǎn)子的碰摩響應(yīng)......65

4.3本章結(jié)論......70

第五章結(jié)論與展望......71

5.1工作總結(jié)....71

5.2工作展望.........72

第四章非跨中轉(zhuǎn)子碰摩的建模與數(shù)值分析

4.1非跨中轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)方程

在前面一章中我們對(duì)于跨中葉輪轉(zhuǎn)子的碰摩問題進(jìn)行了建模和數(shù)值分析,得出了一些葉輪轉(zhuǎn)子碰摩的重要特征。然而一般來說,真實(shí)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)往往十分復(fù)雜,而跨中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)往往過于簡(jiǎn)單,無法全面的反映轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的特性,特別是考慮到對(duì)于跨中轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向始終和水平方向平行,而對(duì)于真實(shí)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),葉輪轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中很有可能包含有一定的傾斜角。因而為了更加全面的考慮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與機(jī)厘的碰摩,需要増加考慮轉(zhuǎn)子的角位移自由度、轉(zhuǎn)子支承形式和轉(zhuǎn)子位置等因素。在本章中,我們將考慮一個(gè)非對(duì)稱支承的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)件與機(jī)厘的碰摩。轉(zhuǎn)子軸系被離散為一個(gè)三節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),其中轉(zhuǎn)子位于轉(zhuǎn)軸的中間的給定位置,兩個(gè)支承分別位于轉(zhuǎn)軸的兩端,三個(gè)節(jié)點(diǎn)分別與轉(zhuǎn)子位置和支承位置重合。圖4-1給出了本章中采用的轉(zhuǎn)子模型的示意圖。

4.2非跨中葉輪轉(zhuǎn)子的碰摩響應(yīng)

可以看到和前文中敘述的類似,轉(zhuǎn)子在低轉(zhuǎn)速情況下響應(yīng)頻譜依然是主要以諧波響應(yīng)為主,如圖4-6給出了一個(gè)典型的碰摩轉(zhuǎn)子的頻譜、軸必軌跡和Poincare截面,結(jié)合Poincare截面和軸心軌跡明顯可以看出這時(shí)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌道近似是周期的。值得注意的是,本章中的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用了非跨中的轉(zhuǎn)子模型,圖4-9給出了轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速變化時(shí)的模態(tài),可看到轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中始終存在角位移。然而對(duì)比前面兩章中關(guān)于跨中轉(zhuǎn)子的頻率響應(yīng)云圖可看出,非跨中轉(zhuǎn)子的碰摩響應(yīng)和之前所得到的典型的碰摩響應(yīng)是類似的,這進(jìn)一步驗(yàn)證了之前分析的一般性,說明在角位移不大的情況下關(guān)于跨中轉(zhuǎn)子的分析可以定性的用于非跨中轉(zhuǎn)子。

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第五章結(jié)論與展望

5.1工作總結(jié)

本課題首先根據(jù)葉片/機(jī)厘接觸的時(shí)點(diǎn),在考慮了葉片旋轉(zhuǎn)剛化、非線性機(jī)面局部變形的基礎(chǔ)上提出了一種新的葉片/機(jī)面碰摩局部力學(xué)模型,并將此模型用于模擬跨中葉輪轉(zhuǎn)子與機(jī)厘的碰摩,通過模擬不同參數(shù)的葉輪轉(zhuǎn)子的碰摩給出了典型的碰摩轉(zhuǎn)子響應(yīng)和參數(shù)變化引起的碰摩轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特征變化。在此基礎(chǔ)上,本課題還考慮了彈性支承的非跨中葉輪轉(zhuǎn)子的碰摩,通過模擬不同轉(zhuǎn)速條件下的葉輪轉(zhuǎn)子機(jī)厘碰摩,進(jìn)一步分析了碰摩轉(zhuǎn)子的動(dòng)為學(xué)響應(yīng)特征。主要得出的結(jié)論如下:(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低或摩擦系數(shù)較小時(shí),轉(zhuǎn)子與機(jī)厘發(fā)生的碰摩作用較小,碰摩轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一般為接近周期運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)子的位移響應(yīng)頻譜上存在的主要是諧波響應(yīng),隨著轉(zhuǎn)速的提高,當(dāng)摩擦系數(shù)較大時(shí),轉(zhuǎn)子與機(jī)厘的碰摩作用較強(qiáng),碰摩轉(zhuǎn)子的位移響應(yīng)頻譜上存在一個(gè)負(fù)值的頻率,轉(zhuǎn)子的位移響應(yīng)頻譜主要由轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率、頻率及它們的線性組合構(gòu)成。

5.2工作展望

在本文中為了能夠簡(jiǎn)化模型采用了一些假設(shè),針對(duì)這些假設(shè)文中己經(jīng)做出了一些說明,在特定的情況下,這些假設(shè)是合理的,然而當(dāng)實(shí)際工況和本文中所述的工況存在較大差異時(shí),本文中所采用的假設(shè)就可能不再適用。因此,在今后的研究中可以不再假定這些假設(shè)成立,從而能夠建立適用范圍更廣的轉(zhuǎn)子碰摩模型。具體來說這些假設(shè)有:(1)本文中的葉片局部碰摩力模型在本質(zhì)上來說還是一個(gè)二維模型。雖然在第四章中對(duì)非跨中轉(zhuǎn)子的碰摩進(jìn)行了分析,也考慮了轉(zhuǎn)子碰摩時(shí)的角位移,然而必須注意到,這里的葉片模型仍然沒有考慮葉片的弦長(zhǎng)方向。事實(shí)上,對(duì)于葉片安裝角較小且角位移不大的情況,這一假設(shè)是能夠近似成立,而當(dāng)安裝角很大或轉(zhuǎn)子角位移很大時(shí),葉片的接觸過程將不再是一個(gè)單點(diǎn)與曲面的接觸,而是一個(gè)葉片弦線與機(jī)厘接觸的過程,送顯然會(huì)使得碰摩過程發(fā)生很大差別,同理,當(dāng)葉片角位移很大時(shí)(如轉(zhuǎn)子采用懸臂支承形式時(shí)),即使葉片安裝角不大,葉片與機(jī)厘的過程也會(huì)與本文中的模型存在一定的差異。因此,在今后的研究中,可以對(duì)葉片弦長(zhǎng)方向進(jìn)行考慮,構(gòu)造真正的葉輪轉(zhuǎn)子與機(jī)厘碰摩的三維模型。

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參考文獻(xiàn)（略）