第一章緒論

旋轉機械在人類的工業(yè)發(fā)展進程中一直發(fā)揮著非常重要的作用以。不同類型的旋轉機械,如汽輪機和燃氣輪機等在能源與動力行業(yè)有著不可替代的作用,特別隨著航空工業(yè)的發(fā)展,燃氣輪機日益成為飛機性能、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濟的發(fā)展和國防事業(yè)的需要,對旋轉機械特別是燃氣輪機進行深入的研究是十分必要的。作為旋轉機械的一種,燃氣輪機也由轉動件和靜件組成。一般來說,為了能夠使得轉動件能夠平穩(wěn)轉動,轉動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燃氣輪機的性能有著非常關鍵的影響,特別是對于流通部分和密封部分,當間隙值過大時,會造成氣流泄露過大,從而嚴重影響燃氣輪機的整體效率,對于航空發(fā)動機,其推力甚至穩(wěn)定性都會因此降低。為減小由于這種泄露引起的內流損失,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厘之間的間隙的辦法,從而減小泄露氣流對流場的影響.

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第二章葉片/機昆接觸力模型和葉輪轉子/機厘碰摩力模型

2.1碰摩葉片撓度曲線

注意到在實際的透平機械中,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。然而事實上采用平均葉片截面積的對碰摩力的影響不大。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行對比,可以發(fā)現(xiàn)兩者的差異很小。另一方面,實際透平機械中葉片的幾何形狀往往差別很大,大型汽輪機的低壓級葉片和燃氣輪機的壓氣機低壓級葉片一般較長且彎扭程度較高,葉片在碰摩時產生的扭轉變形往往不能忽略,因此懸臂梁假設可能存在一定的誤差;然而對于透平機械的高壓級葉片,如燃氣輪機中高壓級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,因此本文中的簡化可行。

2.2葉輪轉子-機厘碰摩力模型

本章構造了考慮機厘局部非線性變形和葉片旋轉剛化效應的碰摩葉片燒度方程,通過幕級數方法對其進行了近似求解,還分析了構造方程中所使用的假設的合理性。根據這一近似解和葉輪/機厘在碰摩時的幾何關系,本章提出了一種新的葉輪轉子/機區(qū)局部碰摩力模型。

第三章跨中轉子碰摩的動力學響應.........19

3.1轉子的動力學方程......19

3.2不同剛度和阻尼系數下的轉子碰摩響應特點......22

3.3fN頻率的物理意義......36

3.4葉輪轉子/機厘的局部碰摩過程......39

3.5葉片幾何參數的影響......43

第四章非跨中轉子碰摩的建模與數值分析......59

4.1非跨中轉子的動力學方程......59

4.2非跨中葉輪轉子的碰摩響應......65

4.3本章結論......70

第五章結論與展望......71

5.1工作總結....71

5.2工作展望.........72

第四章非跨中轉子碰摩的建模與數值分析

4.1非跨中轉子的動力學方程

在前面一章中我們對于跨中葉輪轉子的碰摩問題進行了建模和數值分析,得出了一些葉輪轉子碰摩的重要特征。然而一般來說,真實的轉子系統(tǒng)往往十分復雜,而跨中轉子系統(tǒng)往往過于簡單,無法全面的反映轉子系統(tǒng)的特性,特別是考慮到對于跨中轉子,轉子的旋轉方向始終和水平方向平行,而對于真實的轉子系統(tǒng),葉輪轉子的運動狀態(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子系統(tǒng)與機厘的碰摩,需要増加考慮轉子的角位移自由度、轉子支承形式和轉子位置等因素。在本章中,我們將考慮一個非對稱支承的轉子試驗件與機厘的碰摩。轉子軸系被離散為一個三節(jié)點系統(tǒng),其中轉子位于轉軸的中間的給定位置,兩個支承分別位于轉軸的兩端,三個節(jié)點分別與轉子位置和支承位置重合。圖4-1給出了本章中采用的轉子模型的示意圖。

4.2非跨中葉輪轉子的碰摩響應

可以看到和前文中敘述的類似,轉子在低轉速情況下響應頻譜依然是主要以諧波響應為主,如圖4-6給出了一個典型的碰摩轉子的頻譜、軸必軌跡和Poincare截面,結合Poincare截面和軸心軌跡明顯可以看出這時轉子的運動軌道近似是周期的。值得注意的是,本章中的轉子系統(tǒng)采用了非跨中的轉子模型,圖4-9給出了轉子在轉速變化時的模態(tài),可看到轉子在轉動過程中始終存在角位移。然而對比前面兩章中關于跨中轉子的頻率響應云圖可看出,非跨中轉子的碰摩響應和之前所得到的典型的碰摩響應是類似的,這進一步驗證了之前分析的一般性,說明在角位移不大的情況下關于跨中轉子的分析可以定性的用于非跨中轉子。

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第五章結論與展望

5.1工作總結

本課題首先根據葉片/機厘接觸的時點,在考慮了葉片旋轉剛化、非線性機面局部變形的基礎上提出了一種新的葉片/機面碰摩局部力學模型,并將此模型用于模擬跨中葉輪轉子與機厘的碰摩,通過模擬不同參數的葉輪轉子的碰摩給出了典型的碰摩轉子響應和參數變化引起的碰摩轉子動力學特征變化。在此基礎上,本課題還考慮了彈性支承的非跨中葉輪轉子的碰摩,通過模擬不同轉速條件下的葉輪轉子機厘碰摩,進一步分析了碰摩轉子的動為學響應特征。主要得出的結論如下:(1)當轉子轉速較低或摩擦系數較小時,轉子與機厘發(fā)生的碰摩作用較小,碰摩轉子的運動狀態(tài)一般為接近周期運動,轉子的位移響應頻譜上存在的主要是諧波響應,隨著轉速的提高,當摩擦系數較大時,轉子與機厘的碰摩作用較強,碰摩轉子的位移響應頻譜上存在一個負值的頻率,轉子的位移響應頻譜主要由轉速激勵頻率、頻率及它們的線性組合構成。

5.2工作展望

在本文中為了能夠簡化模型采用了一些假設,針對這些假設文中己經做出了一些說明,在特定的情況下,這些假設是合理的,然而當實際工況和本文中所述的工況存在較大差異時,本文中所采用的假設就可能不再適用。因此,在今后的研究中可以不再假定這些假設成立,從而能夠建立適用范圍更廣的轉子碰摩模型。具體來說這些假設有:(1)本文中的葉片局部碰摩力模型在本質上來說還是一個二維模型。雖然在第四章中對非跨中轉子的碰摩進行了分析,也考慮了轉子碰摩時的角位移,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方向。事實上,對于葉片安裝角較小且角位移不大的情況,這一假設是能夠近似成立,而當安裝角很大或轉子角位移很大時,葉片的接觸過程將不再是一個單點與曲面的接觸,而是一個葉片弦線與機厘接觸的過程,送顯然會使得碰摩過程發(fā)生很大差別,同理,當葉片角位移很大時(如轉子采用懸臂支承形式時),即使葉片安裝角不大,葉片與機厘的過程也會與本文中的模型存在一定的差異。因此,在今后的研究中,可以對葉片弦長方向進行考慮,構造真正的葉輪轉子與機厘碰摩的三維模型。

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參考文獻（略）