压气机叶片-轮盘-转轴系统耦合建模与动力学特性研究

摘要

叶片-轮盘-转轴系统是透平机械的基本结构，在工程实际中具有广泛的应用。此类结构在工作时高速旋转，承受巨大的离心力和气动力，此外，结构还要承受高温、高压等恶劣环境，极易受到破坏。随着现代旋转机械设计理念的发展，人们在研究转子系统时，往往不再将叶片、轮盘和转轴分开考虑，而是建立能够体现三者之间耦合振动关系的动力学模型。轴承和机匣是旋转机械不可或缺的结构，它们为转子系统提供的支撑，也对转子的动力特性产生影响。实际状况下，叶片-轮盘-转轴系统往往存在失谐特征，此时振动的能量在转子各部分的分布不同，会有振动局部化等现象出现。 本文研究了某型燃机低压压气机转子叶片-轮盘-转轴耦合系统的振动特性，研究了耦合系统在静止和旋转状态下的模态特点。通过建立考虑支撑结构和叶盘失谐特点的耦合系统动力学模型，研究了支撑刚度和失谐因素对系统的动力特性的影响。 首先，对国内外针对透平机械动力学方面的研究成果进行了汇总。总结了压气机转子结构耦合建模和动力特性研究的常用方法，详细地介绍了与之相关的振动理论、有限元方法和转子动力学理论，推导了谐调和失谐系统的振动方程。 之后，对叶片-轮盘-转轴系统进行了动力特性分析。建立了能够考虑转子各部件之间耦合振动关系的有限元模型，分析了结构在静止状态下和旋转产生的离心载荷作用下的模态特点。观察到结构复杂的节径振动和耦合振动形式，获得了旋转状态下转子结构的应力分布和共振特点。 然后，分析了支撑结构对转子动力特性的影响。推导了滚子轴承在考虑润滑油膜厚度时的径向刚度公式，构建了转子支撑结构的机匣模型，使用有限元方法分别计算了机匣的静态支撑刚度和考虑转子旋转产生的激励下的动支撑刚度。构造了考虑支撑刚度的耦合系统模型，分析了支撑刚度对转子系统固有频率的影响，发现转轴结构主导振动的固有频率对支撑刚度最为敏感。考虑支撑系统的静刚度和动刚度，分别计算了转子结构的临界转速，并绘制Campbell图分析结构的共振特点。发现除一阶临界转速相同外，考虑动支撑刚度下的其它临界转速相较于考虑静刚度有一定的提升。 最后，分别建立叶片-轮盘-转轴系统的谐调和不同程度失谐的有限元模型。获得了系统谐调和失谐状态下的模态信息，并提取了各振型的叶尖处位移。计算发现失谐系统会发生明显的振动局部化现象，振动不再沿着转轴均匀分布，而会集中在某个或某几个扇区中。此外，失谐系统振动时共振频率的范围会扩大，发生频率分离现象。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 转子动力学研究现状

1.2.2 叶片-轮盘-转轴系统耦合建模研究现状

1.2.3 叶盘系统循环对称结构和失谐行为研究现状

1.3 本文的研究内容

2 理论基础

2.1 振动基本理论

2.1.1 振动概述

2.1.2 模态分析方法

2.1.3 谐响应分析方法

2.2 有限元方法

2.2.1 有限元方法概述

2.2.2 有限元法基本步骤

2.2.2 空间20节点等参单元

2.3 循环对称及失谐理论

2.3.1 循环对称结构振动方程

2.3.2 失谐结构振动特性

2.4 转子动力学基本理论

2.4.1 临界转速

2.4.2 Campbell图

3 叶片-轮盘-转轴耦合系统动力特性分析

3.1 引言

3.2 叶片的振动模态分析

3.2.1 叶片有限元模型的建立

3.2.2 叶片模型的模态特性

3.3 耦合系统静态振动特性分析

3.3.1 系统耦合建模

3.3.2 耦合系统模态

3.3.3 叶片的节径振动

3.3.4 系统叶-盘-轴耦合振动

3.4 耦合系统旋转态振动特性分析

3.4.1 旋转态下系统离心力分析

3.4.2 旋转态下系统动力特性分析

3.5 本章小结

4 考虑支撑刚度的转子系统动力特性分析

4.1 引言

4.2 轴承支撑刚度分析

4.3 机匣模型支撑刚度分析

4.2.1 机匣模型的建立

4.2.2 机匣模型静支撑刚度计算

4.2.3 机匣模型动支撑刚度计算

4.4 支撑刚度对转子动力特性的影响

4.4.1 支撑刚度对转子固有频率的影响

4.4.2 静支撑条件下转子临界转速计算

4.4.3 动刚度条件下转子临界转速的计算

4.5 本章小结

5 叶盘轴耦合系统失谐特性研究

5.1 引言

5.2 谐调系统振动特性

5.3 叶片刚度随机失谐振动特性

5.3.1 叶片刚度随机失谐模型构建

5.3.2 刚度随机失谐系统振动特性

5.4 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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