基于弹性阻尼支撑的转子系统振动控制及管道阻尼减振技术研究

摘要

高转速、高精度、大功率、轻结构和长寿命柔性转子是现代高速旋转机械的发展趋势。为了获得更高的工作效率和可靠性，现在的转子系统大都采用柔性转子设计，柔性转子在高速下运转其同步振动响应往往较大且高速下的转子系统更容易出现次同步振动引发的稳定性问题。
　　当前解决转子振动较大、易失稳问题最简单有效的方法之一就是优化支撑系统，引入弹性阻尼支撑结构以改善转子系统的稳态和瞬态动力学特性。通过引入弹性支撑结构可有效降低转子系统临界转速，这就可以合理的匹配临界转速和工作转速的相对位置，使得系统临界转速能进一步远离工作转速，有效避开共振区。通过引入外阻尼可有效抑制转子系统同步振动响应过大和次同步振动失稳问题，提高转子系统稳定性。
　　本文的研究主线是阻尼减振技术，结合研究生期间的科研实验和项目实践情况，全文主要从弹性阻尼支撑结构、阻尼密封结构和粘滞性阻尼器结构在转子系统或化工设备振动控制中的应用几方面，对阻尼减振技术展开了详细的分析和介绍。具体研究内容如下:
　　(1)弹性阻尼支撑结构中整体式挤压油膜阻尼器（Integral SqueezeFilm Damper，简称ISFD）是本文重点分析和介绍的部分。新型的整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)由于采用新颖的电火花线切割制造工艺进行整体式加工，不仅在结构上较传统挤压油膜阻尼器有明显不同，而且在抑制不平衡下同步振动水平和改善次同步振动诱发的转子失稳等问题上有着一系列更加突出的优势。本文第二章将从新型的整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)出现背景、结构特点、结构类型的发展和演变、提高稳定性机理、能量耗散机理、设计关键环节、实际工程应用情况、主要优点、存在的不足和今后发展方向等九方面对其进行全面的分析和介绍。
　　(2)为了探究新型ISFD弹性阻尼支撑结构对转子振动控制的影响，本文首先从数值模拟分析出发，利用Dyrobes转子动力学软件仿真模拟了刚性支撑和弹性支撑两种不同支撑结构下，质量分布和悬臂长度对转子系统临界转速及振动控制方面的影响规律，为下文相关实验的进行提供了理论指导。本文研究并设计了不同结构参数的S型弹性体，探究了不同结构参数对S型弹性体刚度参数的影响规律，并根据实验台情况设计并加工出了四套实验用的ISFD弹性阻尼支撑结构。本文分别设计并搭建了多种实验工况下的单跨悬臂转子实验台、单跨转子实验台以及双跨N+1支撑转子实验台，并将新设计的ISFD弹性阻尼支撑结构应用于上述三种转子振动控制实验中。通过多种不同支撑结构下减振效果的对比分析，实验证明了ISFD弹性阻尼支撑结构在转子系统振动控制方面相对其他支撑结构有着非常明显的阻尼减振效果。
　　(3)本文针对北京航天某所某型号发动机液氢涡轮泵离心轮前、后凸肩阻尼封结构稳定性研究项目中密封结构强度问题，首先利用Fluent流场软件求解出不同密封结构下的压力分布，然后应用Ansys有限元分析软件对梳齿密封和圆孔型阻尼密封在实际工况下的应力强度和变形量进行求解，对比分析了两种密封结构的强度，并对圆孔型密封在不同周向孔数及不同圆孔深度下的结构强度进行了对比分析和研究。
　　(4)本文介绍了管道阻尼减振技术以及粘滞性管道阻尼器的结构及其减振原理。以四项实际工程项目中的换热器管道、压缩机管道和低温甲醇洗工艺管道为实例，本文从管道参数及振动情况、管道模态分析、管道振动原因分析、阻尼减振模拟计算、阻尼减振方案的确定以及减振改造效果验收六方面对管道阻尼减振技术在石油化工设备中的应用做了详细的分析和介绍。实践证明，阻尼减振技术能有效控制石油化工设备中的振动问题，四项实际工程管道阻尼减振改造项目的减振效果均得到用户的一致好评。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题来源、研究目的及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究目的及意义

1．2 弹性阻尼支撑结构的发展及应用

1．2．1 常见弹性阻尼支撑结构的发展及应用

1．2．2 新型ISFD弹性阻尼支撑结构的发展和应用

1．3 阻尼密封技术的发展和应用

1．4 石油化工设备及管道振动和控制方法

1．4．1 石油化工设备及管道的振动原因

1．4．2 石油化工设备及管道的振动控制方法

1．5 本文的主要研究内容

第二章 新型ISFD弹性阻尼支撑结构在转子系统振动控制中的发展及应用

2．1 引言

2．2 新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)出现背景

2．3 新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)结构特点

2．4 新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)结构类型的发展和演变

2．4．1 早期C型ISFD结构

2．4．2 中期L型ISFD结构

2．4．3 近代材料去除S型ISFD结构

2．4．4 现代材料保留S型ISFD结构

2．4．5 近、现代剖分式ISFD结构

2．4．6 近、现代特定设计演变ISFD结构

2．5 新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)提高稳定性机理

2．6 新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)能量耗散机理

2．7 新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)设计关键环节

2．8 新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)工程应用情况

2．8．1 新型ISFD结构在改善转子同步振动响应水平中的应用

2．8．2 新型ISFD结构在解决转子次同步振动失稳问题中的应用

2．9 新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)主要优点

2．10 新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)不足和发展方向

2．11 本章小结

第三章 基于ISFD弹性阻尼支撑的转子系统振动控制实验研究

3．1 引言

3．2 质量分布对转子系统临界转速影响的仿真模拟计算

3．2．1 刚性支撑条件下质量分布对转子系统临界转速的影响

3．2．2 弹性支撑条件下质量分布对转子系统临界转速的影响

3．2．3 质量分布对转子系统I晦界转速的影响小结

3．3 刚性支撑和弹性支撑条件下悬臂长度对转子系统临界转速影响的仿真模拟计算

3．3．1 刚性支撑条件下悬臂长度对转子系统临界转速的影响

3．3．2 弹性支撑条件下悬臂长度对转子系统临界转速的影响

3．3．3 悬臂长度对转子系统临界转速的影响小结

3．4 实验用ISFD弹性阻尼支撑结构设计

3．4．1 实验用S型弹性体的设计

3．4．2 实验用轴承端部密封结构设计

3．4．3 实验用支撑结构设计

3．5 实验装置及数据采集系统

3．6 实验一：基于ISFD弹性阻尼支撑的单跨悬臂转子系统振动控制实验研究

3．6．1 单跨悬臂转子结构设计

3．6．2 单跨悬臂转子实验台

3．6．3 单跨悬臂转子实验台调试

3．6．4 基于ISFD弹性阻尼支撑的单跨悬臂转子实验

3．7 实验二：基于ISFD弹性阻尼支撑的单跨转子系统振动控制实验研究

3．7．1 单跨转子结构设计

3．7．2 单跨转子实验台

3．7．3 单跨转子实验台调试

3．7．4 基于ISFD弹性阻尼支撑的单跨转子实验

3．8 实验三：基于ISFD弹性阻尼支撑的双跨N+1支撑转子振动控制实验研究

3．8．1 双跨N+1支撑转子结构设计

3．8．2 双跨N+1支撑转子实验台

3．8．3 双跨N+1支撑转子实验台调试

3．8．4 基于ISFD弹性阻尼支撑的双跨N+1支撑转子实验

3．9 本章小结

第四章 梳齿密封和圆孔型阻尼密封结构强度分析计算

4．1 引言

4．2 离心轮前、后凸肩密封结构参数

4．3 密封环聚酰亚胺材料CAE参数的确定

4．4 密封结构强度校核方法

4．5 密封结构实体建模及网格划分

4．6 强度校核边界条件设置

4．7 强度校核结果分析

4．8 周向孔数及圆孔深度对圆孔阻尼密封结构强度的影响

4．8．1 不同周向孔数下圆孔阻尼密封结构强度分析计算

4．8．2 不同圆孔深度下圆孔阻尼密封结构强度分析计算

4．9 本章小结

第五章 管道阻尼减振技术在石油化工设备中的应用

5．1 引言

5．2 管道阻尼减振技术介绍

5．2．1 管道阻尼减振原理

5．2．2 粘滞性阻尼器介绍

5．3 粘滞性阻尼器在石油化工设备中的工程应用实例

5．3．1 案例1：新疆某石化E106换热器管程进口管道阻尼减振改造项目

5．3．2 案例二：新疆某石化K102压缩机二级压缩进口管道阻尼减振改造项目

5．3．3 案例三：新疆某石化K102压缩机三级压缩出口室内管道阻尼减振改造项目

5．3．4 案例四：包头某煤化工低温甲醇洗工艺管道阻尼减振改造项目

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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