考虑气体密封作用的转子系统非线性振动分析

摘要

转子系统是大型旋转机械（如汽轮发电机组、水轮机组、核电机组、航空航天发动机、工业压缩机等）的重要组成部分。气体动力激振成为威胁旋转机械安全运行的主要因素之一。在航空发动机结构中，以迷宫密封为代表的气体密封装置是广泛使用的有效的封严结构，主要用于压气机和涡轮级间、叶片的顶部、冷却流路系统、燃气隔离以及主轴承腔滑油封严系统中的油气隔离等。由于转子在密封腔内很难避免发生偏置，当转子相对于静子发生偏置时，会造成密封周向压力分布不均从而形成密封激振力，转子的扰动和密封中的流体相互作用，形成密封激振力，密封激振力具有非线性特性。在一定条件下，迷宫密封中的气流激励转子，会使系统发生强烈的自激振动。
　　本文重点研究由于气体密封作用而引起的转子系统的非线性振动问题。首先，建立了带有Muszynska密封力模型的转子系统动力学方程，用数值计算方法对转子系统的非线性振动进行仿真分析。其次，基于CFD理论，使用FLUENT软件分别对迷宫密封的二维和三维流场进行数值计算，进而在其基础上分析考虑气体密封作用的转子系统的动力学特性系数及其稳定性，具体内容如下:
　　(1)对带有密封结构的转子系统进行简化，引入Muszynska密封力模型，建立转子系统动力学模型及其动力学方程。
　　(2)采用四阶Runge-Kutta法对带有Muszynska密封力的转子系统的振动响应进行数值仿真，对比分析得到的频域图、轴心轨迹图以及Poincare截面图，研究在不平衡激振力及密封力的共同作用下，转子系统在不同转速、不同压差及不同密封间隙下的非线性振动特性。数值仿真表明，在非线性密封力作用下，转子系统出现周期、倍周期、拟周期等复杂的非线性振动。
　　(3)基于CFD理论，使用CFD通用软件FLUENT对迷宫密封二维流场进行分析，得到迷宫密封二维流场特性，验证迷宫密封的节流效应，分析迷宫密封激振原理，。
　　(4)基于CFD理论，使用CFD通用软件FLUENT对迷宫密封三维流场进行分析计算，得到不同转速和不同压比情况下，转子系统受到的气体密封力，从而进一步计算得到带有气体密封作用的转子系统的动力学特性系数，并利用涡动频率系数对转子系统的稳定性进行分析。
　　本文工作对于研究在气体密封结构作用下转子系统的振动分析具有重要意义。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究的现状

1．2．1 转子动力学的研究现状

1．2．2 密封力作用下转子系统研究概况

1．2．3 迷宫密封研究概况

1．3 本文研究的主要内容

第2章 带Muszynska密封力转子系统动力学模型的建立

2．1 引言

2．2 带密封结构的转子系统的结构简化方法

2．3 转子系统密封力模型建立

2．4 本章小结

第3章 转速对带有气体密封作用的转子系统非线性振动的影响

3．1 引言

3．2 不同转速下转子系统振动响应仿真计算

3．3 结果分析

3．3．1 分岔图

3．3．2 典型振动对比分析

3．4 本章小结

第4章 压差对带有气体密封作用的转子系统非线性振动的影响

4．1 不同压差下转子系统非线性振动仿真分析

4．2 结果分析

4．2．1 分岔图

4．2．2 典型振动对比分析

4．3 本章小结

第5章 密封间隙对带有气体密封作用的转子系统非线性振动的影响

5．1 不同密封间隙下转子系统的非线性振动仿真分析

5．2 结果分析

5．2．1 分岔图

5．2．2 典型振动对比分析

5．3 本章小结

第6章 基于CFD的密封二维流场分析

6．1 引言

6．2 计算流体动力学(CFD)与FL切狲T软件简介

6．2．1 计算流体力学(CFD)介绍

6．2．2 FLUENT软件介绍

6．3 迷宫密封模型建立和边界条件确定

6．3．1 几何模型的建立

6．3．2 计算模型的建立

6．3．3 划分网格

6．3．4 指定边界类型和区域类型

6．4 用FLUNENT软件进行迷宫密封二维流场数值模拟

6．4．1 导入网格

6．4．2 选择求解器及计算模型

6．4．3 定义材料

6．4．4 设置边界条件

6．4．5 求解

6．4．6 后处理

6．5 结果分析

6．6 本章小结

第7章 迷宫密封三维流场分析及其系统动力学特性分析

7．1 迷宫密封转子动力学特性分析方法

7．1．1 迷宫密封转子动力学特性系数的计算方法

7．1．2 迷宫密封转子稳定性的判据

7．2 迷宫密封的三维流场数值模拟

7．2．1 模型建立及网格划分

7．2．2 设置边界条件

7．2．3 迷宫密封三维流场气体密封力计算结果

7．3 基于气体密封力计算结果的转子动力学特性分析

7．3．1 转速对密封力的影响

7．3．2 转速对转子动力学特性的影响

7．3．3 压比对密封力的影响

7．3．4 压比对转子动力学特性的影响

7．3．5 基于三维流场计算结果的转子系统稳定性分析

7．4 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢