刚性转子在气流力和油膜力作用下的非线性动力学特性

摘要

大型旋转机械是现代工业社会中的关键设备之一,而其中存在的诸多非线性激励因素是大型旋转机械中的关键因素.事实表明,旋转机械重大事故多半是由于亚谐(低频)振动失稳引起的,因此对非线性激励因素作用下转子系统的亚谐振动失稳机理分析是转子动力学研究中的重要课题之一. 气流激振是汽轮机转子稳定性研究的重要问题,特别是对超临界和超超临界汽轮机转子,这一问题更为突出.目前,对这一问题的研究多限于气流力模型本身,而对非线性气流激振机理的研究相对较少,特别是同时考虑气流激振和油膜失稳的研究基本尚未开展. 本文应用非线性动力学理论和方法,以短轴承支撑的刚性Jeffcott转子系统作为研究对象,研究了在这两种非线性力作用下转子的稳定性.论文工作包括以下几部分: 1. 对油膜失稳和气流激振的研究现状进行综述: 2. 建立了不平衡刚性Jeffcott转子在非线性油膜力和非线性气流力作用下的无量纲运动微分方程； 3. 用多尺度法推导出系统的平均方程,然后对其在临界点处的1/2亚谐分岔性态进行研究.研究发现,当气流相对进气速度V增大时,转子系统的临界失稳转速提前；无量纲质量调谐参数μ<,1>增大时,自由振动的振幅随之增大,而其临界失稳转速也随之提前； 4. 利用数值积分方法得到了系统在不同参数域中的分岔图,以及一定参数下转子运动的相图、Poincare映射、时间历程曲线、轴心轨迹以及频谱图.结果表明,在相对进气速度V为定值时,随着转速的增大,出现周期运动和混沌运动多次交替出现的复杂运动特性.当气流力和油膜力共同作用时,系统的临界失稳转速比不考虑气流力时提前.以相对进气速度V为分岔参数,研究了在定转速情形下转子的运动规律,研究发现,随着V的增大,系统以概周期形式突然失稳,振幅随着V的增大而增大. 通过本文的研究,对汽轮机转子在非线性气流力和油膜力共同作用下的失稳机理有了一定认识,研究结果为汽轮机转子失稳的诊断和控制提供了一定依据.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2非线性油膜失稳和气流间隙激振

1.3非线性转子动力学研究的一般方法

1.4本文的工作内容安排

第二章考虑非线性油膜力和气流力时单盘刚性Jeffcott不平衡转子系统动力学方程

2.1非线性油膜力和气流力模型

2.2刚性Jeffcott不平衡转子系统动力学方程

2.3平衡转子的静平衡点与线性失稳临界点

2.4本章小结

第三章单盘刚性Jeffcott不平衡转子1/2亚谐分岔分析

3.1求解平均方程

3.2稳态运动方程

3.3 V=0时亚谐共振解

3.4 V=15m/s时亚谐共振解

3.5 V=30m/s时亚谐共振解

3.6亚谐共振非零解的稳定性

3.7本章小结

第四章Jeffcott刚性转子在油膜力和气流力作用下的分岔与混沌特性

4.1引言

4.2数值计算方法

4.3以转速为分岔参数时的计算分析(固定相对进气速度)

4.4以相对进气速度为分岔参数时的计算分析(固定转速)

4.5本章小结

第五章全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢