周向拉杆转子--径向滑动轴承系统动力学特性研究

摘要

燃气轮机广泛应用在现代工业中，拉杆转子-轴承系统作为燃气轮机动力传递和能源转换的核心部件，其动力学特性直接决定着燃气轮机的运行特性及稳定性。因此，有关拉杆转子-轴承系统的核心技术成为燃气轮机相关研究的热点之一。本文以周向拉杆转子为对象，研究了周向拉杆转子一径向滑动轴承系统的动力学特性。主要内容如下： 1、考虑粗糙表面的微观形貌特征，在Greenwood-Williamson模型的基础上计算了拉杆转子相邻轮盘接触的等效弯曲刚度，推导出其计算公式，在此基础上研究了等效弯曲刚度随预紧力的变化规律。结合有限元法和Timoshenko梁-轴单元推导了弹性轴段和刚性轮盘的运动方程，建立了拉杆转子的动力学模型，在此基础上得到了当拉杆的数目较多时，可以将拉杆进行分组均匀预紧，以保障转子的稳定运转。 2、基于达朗贝尔原理推导了周向拉杆转子-径向滑动轴承系统的运动微分方程，运用Willson-θ对法对系统的运动微分方程进行了求解，文中算例的结果表明：当控制参数为转子的转速时，系统响应为周期一-周期二-准周期运动；当控制参数为轮盘偏心量时，系统响应为周期一-周期二-准周期运动；当控制参数为转轴刚度时，系统响应为准周期-周期二-周期一运动。 3、考虑轮盘与静子之间的碰摩，建立了碰摩条件下周向拉杆转子-径向滑动轴承系统的动力学模型，推导了系统的运动微分方程并运用Willson-θ法进行了求解，文中算例的结果表明：当控制参数为转子的转速时，系统响应为周期一-准周期-周期五-准周期运动；当控制参数为轮盘偏心量时，系统响应为准周期-周期一-周期五-准周期-周期二运动；当控制参数为静子的径向刚度时，系统响应为周期四-准周期-周期-运动。 4、基于ANSYS Parametric Design Language分析了拉杆转子的模态，求得前十阶固有频率和对应的振型云图，进而获得拉杆转子的最大振幅位置；分析了拉杆转子的结构强度，研究了不同预紧力作用下各轮盘和拉杆转子的Von Mises等效应力的变化情况；分析了拉杆转子的瞬态动力学，并将瞬态运动规律与转子轴承处的运动规律进行对比，发现二者的运动规律较一致。 上述的研究具有重要意义，为后续研究周向拉杆转子-径向滑动轴承系统的动力学特性及稳定性提供了有价值的理论参考。

目录

1 绪论

1.1 本文的研究背景及意义

1.2 燃气轮机转子的主要结构形式

1.3 拉杆转子的国内外研究现状

1.4 本文的主要研究内容

2 拉杆转子-轴承系统动力学模型

2.1 引言

2.2 粗糙表面的微观形貌

2.3 粗糙表面的接触模型

2.3.1 Hertz接触模型

2.3.2 GW接触模型

2.4 拉杆转子相邻轮盘间接触的等效弯曲刚度

2.5 拉杆转子-轴承系统动力学模型

2.5.1 弹性轴段的运动方程

2.5.2 拉杆转子-轴承系统动力学模型

2.5.3 拉杆转子刚性轮盘的计算模型

2.6 本章小结

3 拉杆转子-轴承系统动力学方程及动力学行为分析

3.1 引言

3.2 拉杆转子相邻轮盘接触层之间的回复力

3.3 系统动力学模型的简化

3.4 建立动力学方程的方法及拉杆转子动力学方程

3.4.1 建立动力学方程的方法

3.4.2 拉杆转子动力学方程

3.5 运动方程的计算方法

3.6 数值算例

3.6.1 转速对系统动力学响应的影响

3.6.2 轮盘偏心量对系统动力学响应的影响

3.6.3 转轴的刚度对系统动力学响应的影响

3.7 本章小结

4 碰摩条件下拉杆转子-轴承系统动力学特性分析

4.1 引言

4.2 碰摩条件下系统的分析模型

4.2.1 转子与静子之间的碰摩力

4.2.2 碰摩条件下系统的运动方程

4.3 数值算例

4.3.1 转速对系统动力学响应的影响

4.3.2 轮盘偏心量对系统动力学响应的影响

4.3.3 静子的径向刚度对系统动力学响应的影响

4.4 本章小结

5 基于有限元的拉杆转子模态及瞬态动力学分析

5.1 引言

5.2 模态分析的理论基础

5.3 拉杆转子的模态分析求解过程及结果分析

5.3.1 轮盘的模态分析

5.3.2 拉杆转子的模态分析

5.4 拉杆转子的结构强度分析

5.5 拉杆转子的瞬态动力学分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果