含裂纹的涡轮增压器转子系统动力学特性研究

摘要

涡轮增压器的主要部件是涡轮增压器转子系统，其转速可达几万转/分～二十几万转/分。转子系统在高速、高温高压、强腐蚀等恶劣条件下工作，转轴上会产生细小裂纹源，并在各种应力作用下扩展导致轴断裂，轻则造成经济损失，重则危害人身安全。裂纹是旋转机械中常见又极具危害性故障，通常采用超声波、红外线、磁粉探伤等方法对其进行检测。但这些方法都需要停机检查，不利于裂纹在线识别与检测。研究发现，裂纹产生与扩展对转子的振动响应有很大影响。因此，对含裂纹的涡轮增压器转子系统动力特性研究可为涡轮增压器裂纹故障在线诊断与检测提供理论参考，具有一定的理论意义和工程应用价值。
　　 本文考虑涡轮悬臂端裂纹，分别考虑单油膜支承和浮环支承（双油膜）建立了转子系统力学模型及微分方程。并应用非线性理论和转子动力学理论，探讨了裂纹对转子系统非线性动力特性及运动稳定性的影响。论文主要研究内容如下:
　　 (1)考虑单油膜支承，并将其简化为轴颈模型，建立了涡轮增压器转子系统的力学模型和数学模型。利用矩阵传递法计算了该系统的一阶临界转速和二阶临界转速，分析了无裂纹转子系统的支撑刚度对临界转速的影响;考虑涡轮盘处的开斜裂纹，研究了裂纹轴刚度和临界转速随裂纹深度及转轴转角的变化。
　　 (2)基于以上所建模型，利用四阶Runge-Kutta法对含开斜裂纹转子系统进行数值计算，并分析了裂纹对涡轮增压器转子系统非线性行为的影响。发现:裂纹使转子系统在1/3Ωc、2/3Ωc附近产生三倍周期运动，拟周期运动等非线性动力学行为;抑制了油膜作用的转速区间;高速区裂纹对系统非线性振动特性影响小。
　　 (3)考虑浮环支承（双油膜），建立了涡轮盘处含开闭裂纹的转子系统动力学微分方程，利用四阶Runge-Kutta法对该系统进行数值计算，研究分析了裂纹对涡轮增压器转子系统动力特性的影响。发现:裂纹使系统产生分频振动，增大了低转速时不平衡力的幅值;内油膜失稳的转速区减小，但失稳幅值增大，且内外油膜阻尼对振动幅值不起作用;高转速时裂纹对系统振动特性影响很小。
　　 (4)对论文所做工作进行总结，并对此课题下一步研究做了展望。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外涡轮增压器动力学研究现状及分析

1．3 含裂纹的转子系统动力学研究现状及分析

1．3．1 裂纹刚度模型

1．3．2 裂纹刚度的计算方法

1．3．3 裂纹识别与检测

1．4 本文主要研究内容

第二章 含裂纹的涡轮增压器转子系统临界转速计算与分析

2．1 前言

2．2 传递矩阵法基本理论

2．2．1 轴段传递矩阵

2．2．1 各轴段间的传递

2．2．2 各跨度间的传递

2．3 涡轮增压器转子系统临界转速计算与分析

2．4 支撑刚度对转子系统临界转速的影响

2．5 开斜裂纹对转子系统临界转速影响计算与分析

2．5．1 裂纹模型的选择与计算

2．5．2 裂纹对转轴刚度影响

2．5．3 裂纹深度及转轴转角对裂纹轴刚度影响

2．5．4 裂纹深度对转子系统临界转速的影响

2．5．5 转轴转角对系统临界转速的影响

2．6 本章小结

第三章 含开斜裂纹的涡轮增压器转子系统动力特性研究

3．1 前言

3．2 含裂纹涡轮增压器转子系统动力学模型

3．2．1 转子系统运动微分方程

3．2．3 油膜力计算模型

3．2．4 开斜裂纹刚度计算

3．3 样机计算结果与分析

3．3．1 转子系统振动特性计算结果

3．3．2 含裂纹与无裂纹转子系统振动特性的对比分析

3．3．3 裂纹扩展对转子系统动力学行为影响

3．4 本章小结

第四章 开闭裂纹对浮环支撑的涡轮增压器转子动力学特性影响

4．1 前言

4．2 涡轮增压器转子系统动力学模型

4．2．1 浮环动力学模型

4．2．2 浮环油膜力模型

4．2．2 开闭裂纹模型

4．3 临界转速的计算

4．4 含开闭裂纹的涡轮增压器转子系统动力特性研究

4．4．1 浮环轴承稳定性分析

4．4．2 无裂纹的转子系统动力学特性分析

4．4．3 含裂纹的转子系统动力学特性分析

4．4．4 无裂纹与有裂纹的转子系统动力学特性对比分析

4．4．5 结果分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 课题展望

参考文献

攻读硕士学位发表文章