燃气轮机弹性盘-柔性轴转子系统非线性动力学特性研究

摘要

随着国家对装备制造的不断重视，在最近出台的十大产业振兴计划中，装备制造业作为国家的支柱产业在国民经济中发挥着非常重要的作用。燃气轮机作为装备制造业重大设备，其容量不断增大，旋转速度不断提高，由于盘轴耦合作用引发的转子振动问题日益突出，因此研究弹性盘-柔性轴转子系统的振动特性有重要的工程意义。
　　本文首先利用模态综合法建立了多弹性盘-柔性轴转子系统的动力学微分方程，分析比较了弹性盘-柔性轴转子系统和刚性盘-柔性轴转子系统模型的固有特性的差异，得出由于圆盘弹性对于转子系统固有频率和振型的影响:盘轴耦合振动将使转子系统的固有频率降低，随着自转角速速增大，其效果更加明显。在单弹性盘-柔性轴转子的基础上，分析了双弹性盘-转子系统的动力学模型，得到了双弹性盘-柔性轴转子系统的固有振型，并讨论了双盘之间间距对转子系统固有频率的影响。
　　考虑到capone模型具有较好的收敛性和数值精度，本文采用capone模型模拟滑动轴承的油膜力，并利用虚功原理和模态综合法建立了含有油膜反力的转子系统的动力学微分方程，使用Runge-Kutta方法对该滑动轴承-弹性盘-柔性轴转子系统进行非线性动力学分析计算，讨论了自转角速度对于转子系统非线性动力学特性的影响，得出转子系统中不同点进入混沌状态的顺序。
　　由于Muszynska模型具有较好的概括性及较大的适用范围，本文采用Muszynska模型模拟转子系统所受到的非线性气流激振力，通过虚功原理和模态综合法建立了受到气流激振力作用的弹性盘-柔性轴转子系统的动力学方程，并使用Runge-Kutta方法对转子系统进行数值仿真分析，讨论了自转角速度、偏心量、支撑刚度、支撑阻尼以及转子系统几何参数等对于系统稳定性的影响。
　　利用矢量力学的方法表述了受基础激励的悬臂旋转弹性薄板的空间位移，采用基尔霍夫薄板假设、哈密顿原理和梁函数组合法建立了受基础激励的悬臂旋转弹性薄板的动力学模型。利用正则摄动方法对悬臂旋转薄板在受正弦基础激励作用下的响应进行了分析，得到了弹性薄板振动的解析解，并利用差分法对薄板进行了数值计算，通过对比解析解和数值解的计算结果，验证了解析方法的正确性。分析并得到了悬臂旋转弹性薄板的固有频率和固有振型。
　　本文综合考虑了燃气轮机转子系统中常见的盘轴耦合特性、油膜力、气流激振力，建立了较符合实际工况下的燃汽轮机盘轴转子系统的动力学模型，分析和讨论了相关参数对于转子系统动力学特性和稳定性的影响，并且分析了受基础激励的叶片旋转薄板模型的动力学响应，对于燃气轮机转子系统中的力学问题具有较全面的概括和分析，对于燃气轮机的工程实际运用具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题的研究背景和意义

1．2 盘轴转子系统动力学特性的研究现状

1．2．1 转子系统计算方法的研究

1．2．2 弹性盘-柔性轴转子系统的研究

1．3 国内外对滑动轴承转子系统的研究现状

1．4 国内外对气流激振力作用下转子系统稳定性的研究现状

1．5 国内外对受基础激励的旋转薄板的研究现状

1．6 本文的结构安排及研究的对象

第2章 不同盘轴转子模型的比较

2．1 刚性盘-柔性轴转子系统

2．2 弹性盘-柔性轴转子系统模型的建立

2．2．1 系统坐标系

2．2．2 旋转弹性盘的动力特性

2．2．3 弹性盘-柔性轴转子系统动力学模型

2．3 单弹性盘-柔性轴转子系统的动力学特性分析

2．4 双弹性盘-柔性轴转子系统的动力学特性研究

2．5 本章小结

第3章 滑动轴承-弹性盘-柔性轴转子系统的非线性动力学分析

3．1 油膜力引起转子系统失稳的特点和机理

3．2 轴承油膜力模型

3．2．1 无限长轴承油膜力模型

3．2．2 短轴承油膜力模型

3．2．3 Capone油膜力模型

3．3 轴承-转子系统动力学模型的建立

3．4 轴承-转子系统非线性动力学特性分析

3．5 本章小结

第4章 气流激振力引起的弹性盘-柔性轴转子系统的响应分析

4．1 气流激振力引起转子失稳的特点和机理

4．2 气流激振力模型

4．2．1 Thomas—Alford模型

4．2．2 Black—Childs模型

4．2．3 Muszynska模型

4．3 气流激振力作用下弹性盘-柔性轴转子系统的动力学模型

4．4 气流激振力作用下弹性盘-柔性轴转子系统计算结果与分析

4．5 本章小结

第5章 受基础激励的叶片旋转薄板模型的振动分析

5．1 受基础激励的旋转薄板的建模

5．2 受基础激励的旋转薄板的振动分析

5．2．1 解析方法

5．2．2 利用差分法对受基础激励的旋转薄板进行振动分析

5．3 旋转薄板的固有特性分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果