考虑基础振动和流固相互作用的泵转子动力研究

摘要

泵是一种把机械能转换成势能和动能的设备。泵类设备应用广泛，是能源，电力，石化，航空航天等领域的重要设备。大部分泵都属于旋转机械。旋转机械的核心是转子系统。转子系统的组成部分一般包括转子，轴承，密封和基础。随着人们对转子动力学研究的深入，转子系统的设计不仅要满足对高效率运行的追求，还要考虑转子系统的性质。只有充分了解转子系统的非线性性质，才能准确的设计转子安全运行的工作转速区间，才能更好的识别转子的运行状态。区别于传统的线性研究，转子系统的非线性研究不再将轴承力和密封力分解成八个线性化系数，而是在非线性模型内综合考虑小间隙内流体惯性力效应和外阻尼引起的循环力效应等。此外，旋转机械运行时转子与流体相互作用，具有明显的流固耦合特征。粘性流体以压力的形式作用于固体表面，固体的运动又时刻改变着流场的边界。考虑到转子系统受非线性力作用后响应的复杂性，尽管人们对转子动力学研究已有数十年，但是仍有许多非线性问题值得深入研究。研究的成果不仅能对解释转子动力学现象提供理论依据，还可以更好的为转子系统的设计提供参考基础。
　　本文以泵转子系统作为研究对象，并使用Lagrange法建立了多自由度转子系统运动方程。应用能自适应时间步长的Runge-Kutta-Fehlberg法求解微分运动方程组。考察转子系统的一阶临界转速，计算转子系统的可运行区间，研究在基础振动情况下系统的响应，基于计算流体动力学法（Computational Fluid Dynamics-CFD）和径向基函数法(Radial Basic Function-RBF)得到与流场相关的密封动力学系数的响应曲面并进行转子动力学分析，还完成了带有叶片的叶轮在流体中转动的流固耦合分析。本文的主要工作有如下几个方面:
　　1.建立带有非线性油膜力轴承模型的泵转子-轴承系统运动微分方程。使用Matlab编程求解微分运动方程组。采用诸如分岔图，庞加莱图和相图等非线性方法，分别研究了水平放置转子和竖直放置转子的动力学性质。通过考察系统随转速变化的振幅，找到系统的一阶临界转速。综合幅频曲线图，轴心轨迹图和瀑布图结果考察轴承处的油膜失稳，分别识别出“油膜涡动”和“油膜振荡”现象，给出油膜涡动的失稳角速度。计算结果证明了建模方法的适用性，该方法既可以应用于对称转子，也适用于质量偏置的情况。计算得到的一阶临界转速，分岔点和失稳转速，为泵转子运行区间和隔离裕度设计提供了理论依据。
　　2.建立了考虑基础运动的泵转子-轴承系统的运动微分方程。采用时程分析法，将地震波和正弦型激励作为基础振动加载，分别研究了水平放置转子和竖直放置转子在基础振动作用时的非线性响应。选用的水平放置转子一阶临界转速较低，在地震波作用时，在频域内得到一阶临界转速。而竖直放置转子因为一阶临界转速相对较高，在地震波作用时，在频域内没有得到一阶临界转速。但是竖直放置转子出现转速半频成分的最低转速降低了。当非线性系统受到离心力和正弦型基础振动共同作用时，得到了多自由度系统的组合共振现象，即系统的频率响应包含多个有内在联系的成份。这些成分中不仅包含转速的频率和基础振动频率，还包含转速的频率和基础振动的频率的整数倍数的代数和。计算结果不仅证明了在一定条件下，多自由度的非线性系统存在组合共振的现象;还可以为转子系统在基础运动作用时的运行状态识别提供理论依据。
　　3.基于CFD和RBF法得到泵密封内与流场相关系数的近似函数曲面，研究了变系数的转子-轴承-密封系统的非线性性质。Muszynska非线性密封力模型因为其形式简洁，物理意义明确等特点，得到了广泛的应用。求解该模型中所用的系数，例如进口损失系数、轴向流速和流体周向平均流速比都与流场状态密切相关。但之前在该密封力模型的使用中，这些系数通常采用常数或者经验公式代替。在进、出口边界条件一定的情况下，密封内的流场由转子转速和相对偏心率决定。本文中使用CFD方法得到了不同转速、不同偏心率时的系数;再使用RBF方法拟合出这些系数的近似函数曲面。这些曲面作为系数，在求解运动方程的过程中每一步都根据对应的转速和对应的偏心率调用近似函数曲面上的数值，实现了比传统方法更为精确的瞬态分析。该方法为分析转子-轴承-密封系统的非线性性质提供了新的思路。
　　4.使用有限元软件ADINA完成了流固耦合模拟计算，研究了轴流式泵转子的动力学响应。在流固耦合面使用非滑移条件，采用迭代方法计算固体域的变形和流体域的流动。与传统的流固耦合研究不同的是，本文基于运动网格技术，实现了转子结构网格和周围流体网格的真实转动。在不同轴向流速条件下，得到了转子中心轨迹，位移和加速度信号的频率响应和瞬态流动，识别出转子“湿态”临界频率。通过对比转子是否绕转轴涡动的结果可以看出流固耦合界面的变化对流场压力的影响。通过与传统计算方法的对比，还证明了本文采用方法的有效性。本文提供了同时考虑转子真实转动和流固耦合条件下，研究复杂的旋转机械转子动力学问题的新思路。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 转子-轴承系统动力学研究的进展

1．3 转子-轴承-基础系统动力学研究进展

1．4 转子-轴承-密封系统动力学研究进展

1．5 考虑流固相互作用的转子动力学研究进展

1．6 与密封动力系数相关的流场数据重构方法简介

1．7 本文主要研究内容

2 理论基础、分析方法、泵的工作原理和相关知识

2．1 转子系统动力学模型

2．2 非线性动力学分析方法

2．2．1 相平面，相点和相轨迹

2．2．2 庞加莱映射

2．2．3 分岔

2．3 流体动力润滑理论

2．3．1 轴承油膜力模型

2．3．2 Muszynska非线性密封力模型

2．4 求解常微分动力系统的几种常见格式

2．5 不可压缩流体的运动方程和湍流模型

2．6 泵的工作原理和相关知识

2．6．1 离心泵工作原理

2．6．2 轴流式泵工作原理

2．6．3 泵转于系统振动的原因

2．6．4 轴流式旋转机械的内损失

3 离心泵转子-轴承系统转子动力学分析

3．1 引言

3．2 离心泵转子-轴承系统运动方程

3．3 离心泵转子-轴承动力学分析

3．4 立式离心泵转子-轴承动力学分析

3．4．1 运动微分方程

3．4．2 动力学分析

3．5 本章小结

4 受基础运动作用时离心泵转子-轴承系统的非线性响应分析

4．1 引言

4．2 地震波作用时转子-轴承系统的响应

4．3 转子受单一频率基础运动作用时的组合共振

4．4 转子受不同频率基础运动作用时的的组合共振

4．5 竖直放置转子系统在基础运动作用时的非线性响应

4．5．1 地震波作用时系统的响应

4．5．2 单一频率基础运动作用时的组合共振

4．5．3 不同频率基础运动作用时的组合共振

4．6 本章小结

5 变系数泵转子-轴承-密封系统的转子动力学分析

5．1 引言

5．2 口环迷宫密封的建模和CFD模拟

5．2．1 口环迷宫密封的建模和网格划分

5．2．2 CFD模拟结果

5．3 基于径向基函数法的密封动力学系数近似函数曲面生成

5．3．1 径向基函数法理论

5．3．2 密封动力学系数的近似函数曲面生成

5．4 变系数的转子动力学分析

5．4．1 数值模型和控制方程

5．4．2 基于CFD和径向基函数法的转子动力学分析

5．4．3 传统方法计算结果

5．5 本章小结

6 流固耦合和转动作用下轴流泵转子动力学分析

6．1 引言

6．2 流固耦合计算的控制方程及EMD法简介

6．2．1 控制方程

6．2．2 EMD法基本原理简介和示例

6．3 计算模型和方法

6．3．1 计算模型参数和有限元网格

6．3．2 计算方法

6．4 考虑旋转效应的流固耦合分析

6．5 干态频率分析

6．6 流固耦合分析

6．6．1 有限元模拟

6．6．2 频率分析

6．6．3 与传统的非定常流场计算对比

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介