發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 08:34

【摘要】： 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—軸承—密封耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析兩個(gè)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(dòng)力學(xué)特性,相應(yīng)的研究工作得到了國家863項(xiàng)目(編號(hào):2002AA52613-8)和國家自然科學(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—軸承—密封系統(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,這說明用該模型來預(yù)測(cè)密封的動(dòng)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(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—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?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;密封入口預(yù)旋對(duì)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(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(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,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(dòng)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(shí)測(cè)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：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(yàn)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(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)
    2.1 引言
    2.2 試驗(yàn)裝置
        2.2.1 試驗(yàn)臺(tái)
        2.2.2 動(dòng)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(cè)試系統(tǒng)
    2.3 試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速的選擇
    2.4 試驗(yàn)內(nèi)容
    2.5 本章小結(jié)
第三章 雙控制體模型計(jì)算平齒迷宮密封動(dòng)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(dòng)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(jì)算動(dòng)特性系數(shù)
    3.3 密封齒在靜子上的迷宮密封動(dòng)特性系數(shù)
    3.4 雙控體模型計(jì)算結(jié)果與分析
        3.4.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)等效動(dòng)特性系數(shù)的影響
        3.4.2 入口預(yù)旋速度對(duì)等效動(dòng)特性系數(shù)的影響
        3.4.3 密封間隙對(duì)等效動(dòng)特性系數(shù)的影響
        3.4.4 密封齒數(shù)對(duì)等效動(dòng)特性系數(shù)的影響
    3.5 密封力對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性影響
        3.5.1 密封力對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響
        3.5.2 密封力對(duì)轉(zhuǎn)子一階對(duì)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(dòng)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(yàn)與計(jì)算結(jié)果分析
    4.5 數(shù)值仿真
        4.5.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的影響
        4.5.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的影響
        4.5.3 密封間隙對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的影響
        4.5.4 密封入口壓力對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型
    5.1 引言
    5.2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)分析軟件
    6.1 引言
    6.2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
    7.3 研究展望
參考文獻(xiàn)
附錄一 符號(hào)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(xiàng)目
攻讀博士學(xué)位期間所獲榮譽(yù)
致謝

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