考虑油膜及密封影响的故障转子系统运动稳定性研究

摘要

油膜失稳是转子-滑动轴承系统故障中较为常见的一种故障，其具有突发性和破坏性较大的特点。油膜失稳的发生将使得转子系统在同频周期运动的基础上产生较大的低频振动，从而使系统产生非协调进动，使转轴产生较大的交变应力，此外油膜失稳还将会造成转子振动的加剧，从而可能诱发诸如转定子碰摩等其它故障，直接关系到机组的灾变防治和安全可靠运行。对于汽轮机这样的旋转机械，其蒸汽参数、密封间隙的改变很有可能增大其在转子密封间产生的密封力，从而使转子和密封间发生碰摩的概率增大。因而研究转子-轴承-密封系统滑动轴承和密封导致的失稳规律及复杂的非线性动力学特性，对于改进及提高旋转机械的运动稳定性具有非常重要的意义。
　　考虑非线性油膜力、密封力以及转定子碰摩及支座松动的影响，本文主要研究了一个单跨双盘转子-轴承-密封系统的运动稳定性。首先，运用转子动力学的理论，建立了考虑陀螺效应的双盘光轴转子-轴承系统的集中质量模型，研究了两圆盘在偏心同相位和反相位两种工况下的油膜失稳规律;采用有限元模型和试验验证了集中质量模型的正确性。在此基础上，基于一个单跨双盘阶梯轴转子-轴承系统，证实了之前得到的油膜失稳规律对于单跨双盘转子-轴承系统来说，在一定程度上是具有普遍性的。进而基于单跨双盘光轴转子-轴承系统的集中质量模型，深入研究了两圆盘偏心相位差、偏心量、滑动轴承间隙、润滑油黏度以及滑动轴承长径比对转子系统第1、2阶油膜失稳规律的影响。
　　其次，在单跨双盘光轴转子-轴承系统集中质量模型的基础上，考虑两圆盘处密封的影响，建立了光轴转子-轴承-密封系统的集中质量模型，分析了两圆盘在不同偏心相位差情况下，非线性密封力对转子系统油膜失稳规律的影响，以及各种密封参数（密封压差、密封间隙和密封长度）对系统油膜失稳的影响。
　　然后，针对油膜轴承处可能出现的轴颈和轴承的碰摩问题。在之前建立的单跨双盘光轴转子-轴承-密封系统的集中质量模型的基础上，讨论了两圆盘在同向、反向偏心的两种工况下碰摩力对油膜失稳的影响，以及定子刚度和轴承不对中量的变化对系统油膜失稳规律的影响。
　　最后，针对油膜轴承的支座在系统剧烈振动时可能发生松动的问题。在两圆盘同向、反向偏心的两种工况下，对单跨双盘光轴转子-轴承-密封系统在不同转速下的振动响应进行了仿真分析。分析了在两种工况下不平衡量、松动间隙和支座质量对系统松动的影响。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究的目的和意义

1．2 转子系统动力学模型的研究现状

1．3 转子系统油膜失稳的研究现状

1．4 转子系统密封动力特性的研究现状

1．5 转子系统碰摩故障的研究现状

1．6 转子系统松动故障的研究现状

1．7 本文研究的主要内容

第2章 转子-滑动轴承系统建模及模型验证

2．1 概述

2．2 Newmark-β数值算法

2．3 双盘转子-轴承系统集中质量模型

2．3．1 集中质量模型建立

2．3．2 油膜失稳的数值仿真分析

2．4 双盘转子-轴承系统有限元模型

2．4．1 有限元模型建立

2．4．2 油膜失稳的数值仿真分析

2．5 双盘转子-轴承系统油膜试验

2．5．1 试验台的组成

2．5．2 试验结果分析

2．6 仿真与试验对比分析

2．7 具有不同双盘的阶梯轴转子-轴承系统的仿真

2．8 与Muszynska试验对比

2．9 本章小结

第3章 不同参数对油膜失稳的影响

3．1 概述

3．2 两圆盘偏心相位差的影响

3．2．1 变转速下两盘偏心相位差的影响

3．2．2 定转速下两盘偏心相位差的影响

3．3 两圆盘偏心量的影响

3．3．1 偏心同相位情况下的仿真

3．3．2 偏心反向位情况下的仿真

3．4 轴承参数对油膜失稳的影响

3．4．1 轴承间隙的影响

3．4．2 轴承长径比的影响

3．4．3 润滑油黏度的影响

3．5 偏心反相位时各参数对比

3．6 本章小结

第4章 双盘转子-轴承-密封系统运动稳定性

4．1 概述

4．2 建立转子-轴承-密封系统

4．3 变转速下非线性密封力对油膜失稳的影响

4．3．1 仿真工况1

4．3．2 仿真工况2

4．3．3 具有不同双盘的阶梯轴转子-轴承-密封系统的验证

4．4 两圆盘偏心相位差的影响

4．5 定转速下密封压差对油膜失稳的影响

4．5．1 仿真工况1

4．5．2 仿真工况2

4．6 定转速下密封间隙对油膜失稳的影响

4．6．1 仿真工况1

4．6．2 仿真工况2

4．7 定转速下密封长度对油膜失稳的影响

4．7．1 仿真工况1

4．7．2 仿真工况2

4．8 本章小结

第5章 双盘转子-轴承-密封系统碰摩故障仿真

5．1 概述

5．2 转子-轴承-密封系统的碰摩模型

5．3 转速对系统晌应分析

5．3．1 仿真工况1

5．3．2 仿真工况2

5．4 定子刚度对系统响应的影响

5．4．1 仿真工况1

5．4．2 仿真工况2

5．5 不对中量对系统响应的影响

5．5．1 仿真工况1

5．5．2 仿真工况2

5．6 本章小结

第6章 双盘转子-轴承-密封系统的松动故障仿真

6．1 概述

6．2 建立转子-轴承-密封系统的松动模型

6．3 转速对系统响应的影响

6．3．1 仿真工况1

6．3．2 仿真工况2

6．4 不平衡量对系统响应的影响

6．4．1 仿真工况1

6．4．2 仿真工况2

6．5 松动间隙对系统响应的影响

6．5．1 仿真工况1

6．5．2 仿真工况2

6．6 支座质量对系统响应的影响

6．6．1 仿真工况1

6．6．2 仿真工况2

6．7 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文