基于转子系统下干气密封非线性动力学研究
发布时间：2021-03-01 22:06
在以干气密封作为轴封的旋转机械中,干气密封装置除了受到密封系统本身自振的影响外,还受到叶轮转子、轴承油膜力对其的影响。长时间的高频、高速振动可能造成密封元件的磨损和损坏,甚至引起密封失效。故为了设备的稳定、安全、可靠的工作,在研究干气密封效应时应以大系统为对象。本课题以转子-轴承-干气密封系统为背景,主要以干气密封静环为研究分析对象,通过研究分析在系统不同参数下静环的轴向振动情况,讨论干气密封系统的轴向稳定性。首先,以干气密封为研究对象,对静环-气膜密封系统进行了简化建模并列运动方程式。对气膜刚度和阻尼的非线性表达式进行了推导。在特定工况下,以螺旋槽角度和槽数为变量,利用MAPLE软件,拟合得到不同参数下刚度和阻尼的非线性表达式。再利用MATLAB软件中的Runge-Kutta法求解不同参数下的静环-气膜运动方程。通过对比不同参数下的时间历程图和相轨图,可知振动位移随着槽数增加,先减小再增大,槽数n=12时,静环非线性振动位移最小;当以螺旋槽角度为变量时,角度α=78.41°时,静环非线性振动位移最小。在上述研究基础上,对转子-轴承-干气密封系统进行了结构简化和建模。将转子-轴承整体简...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
螺旋槽干气密封结构
工程硕士学位论文11端面气膜压增加形成的开启力比作用在密封环上的闭合力大时，迫使在静止状态时保持接触的动静环两端面分离，如果压力运行稳定，动静环将处于稳定的非接触状态。因为中性高压隔离气体如氮气，这样形成的高压气膜就完全阻塞了相对来说低压的密封介质泄漏通道，以此来实现了密封介质的零泄漏或零逸出。2.2.1螺旋槽干气密封的结构参数图2.3密封动环螺旋槽结构螺旋槽槽形结构参数主要包括槽数、螺旋角、槽深比、槽台宽比以及槽长坝长比。表2.2螺旋槽槽型结构参数名称符号定义螺旋角α曲线上任一点处的切线与过极点的射线的交角，一般在75°左右，密封的刚漏比、气膜刚度以及承载能力取最大值槽数n槽数时影响密封性能的重要参数，一般选择在10到30为宜。槽深比η槽深比EE+=δη，其中E为槽深的一半，δ为气膜厚度。最佳值范围一般为0.35-0.6。槽台宽比λ1=同一圆周上槽的宽度槽台宽比整个槽台宽度，结果在0.4到1的范围内，密封的性能变化不是很大，一般当其在0.6左右时，密封的刚漏比、气膜刚度、承载能力等性能参数取最大值。槽长坝长比λ2=槽的径向长度槽长坝长比密封面径向长度，其值得大小反映了螺旋槽长度的大校槽长坝长比在0.4左右时，密封的气膜刚度、刚漏比、承载能力达到最大值。2.2.2干气密封的性能参数气膜刚度：每个单位膜厚的变化所引起气膜力的变化称为刚度，一般单位为N/m。
基于转子系统下干气密封非线性动力学研究203.2.2静环-气膜系统轴向振动模型图3.2干气密封系统运行模型依据动力学原理，对系统的构成进行分析。充分考虑静环-气膜系统中的主要非线性因素前提下，对系统进行理论建模。对于干气密封，系统的轴向振动相较于角向振动和平面移动，对系统稳定性影响更大。在前辈的研究基础上，以及现有的相关理论，将静环-气膜系统简化为图3.2所示。对于动环，不考虑微小角向扰动，其在作没有轴向串动的自由转动；对于静环，受到弹簧和气膜力共同作用，没有角向扰动以及其他自由度扰动。这样就将干气密封系统的轴向复杂的振动问题简化视作静环的轴向振动问题，如图3.3所示。假设条件：（1）动、静环只沿轴向做振动运动，其他自由度的运动时稳定的；（2）将系统气膜部分的轴向振动模型视为是单自由度受迫振动；（3）将干气密封系统气膜视为具有非线性阻尼和刚度的弹簧；（4）假设简谐激振力为外部瞬时激振力，轴向位移振动可假定为简谐运动。以静环为振子，建立气膜-静环系统轴向振动模型。图3.3气膜-静环系统轴向振动模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速角接触球轴承刚度计算及影响因素分析[J]. 丁鸿昌,李家成,李茂源,付会彬. 轴承. 2019(11)
[2]非线性共振及其计算和应用[J]. 侯磊,陈予恕. 机械工程学报. 2019(13)
[3]转子-轴承-干气密封系统轴向振动稳定性分析[J]. 张伟政,薛建雄,李金晓,丁雪兴. 润滑与密封. 2019(05)
[4]转子-轴承-干气密封系统振动响应及结构优化[J]. 张伟政,薛建雄,李金晓. 装备环境工程. 2018(07)
[5]干气密封动力学研究新进展[J]. 邓强国,宋鹏云,许恒杰,毛文元. 润滑与密封. 2018(06)
[6]密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响[J]. 陈源,彭旭东,江锦波,孟祥铠,李纪云. 摩擦学学报. 2017(02)
[7]整体式离心压缩机高速轴转子动力学分析[J]. 杨林杰,吴鲁纪,李俞峰,曹志刚,王敬元. 机械传动. 2016(09)
[8]磁悬浮高速电动机转子-轴承系统耦合振动特性研究[J]. 肖林京,吕楠,丁鸿昌,刘鲁伟. 轴承. 2016(07)
[9]螺旋槽型干气密封系统轴向振动影响因素研究[J]. 刘蕴,殷国富,杜建媛,张智. 四川大学学报(工程科学版). 2016(S2)
[10]螺旋槽干气密封微尺度气膜厚度计算及测试[J]. 严如奇,翟霄,张英杰,陆俊杰,丁雪兴. 甘肃科学学报. 2015(05)
博士论文
[1]干气密封非线性动力稳定性分析及其响应优化[D]. 张伟政.兰州理工大学 2012
[2]复杂转子系统动力学行为研究[D]. 闫志勇.复旦大学 2011
[3]转子—轴承—密封系统动力学特性研究[D]. 成玫.上海交通大学 2009
[4]转子—轴承—密封系统动力学建模及其特性研究[D]. 肖忠会.复旦大学 2006
硕士论文
[1]带挤压油膜阻尼器偏置盘转子双稳态特性分析[D]. 李宇.中国民航大学 2019
[2]转子—轴承—干气密封系统动力学特性研究[D]. 薛建雄.兰州理工大学 2018
[3]径向弹性阻尼保护轴承阻尼器的动态特性研究[D]. 王伟青.南京航空航天大学 2010
[4]转子—轴承—密封系统的非线性振动与分岔[D]. 李永.大连理工大学 2007
本文编号：3058098
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
螺旋槽干气密封结构
工程硕士学位论文11端面气膜压增加形成的开启力比作用在密封环上的闭合力大时，迫使在静止状态时保持接触的动静环两端面分离，如果压力运行稳定，动静环将处于稳定的非接触状态。因为中性高压隔离气体如氮气，这样形成的高压气膜就完全阻塞了相对来说低压的密封介质泄漏通道，以此来实现了密封介质的零泄漏或零逸出。2.2.1螺旋槽干气密封的结构参数图2.3密封动环螺旋槽结构螺旋槽槽形结构参数主要包括槽数、螺旋角、槽深比、槽台宽比以及槽长坝长比。表2.2螺旋槽槽型结构参数名称符号定义螺旋角α曲线上任一点处的切线与过极点的射线的交角，一般在75°左右，密封的刚漏比、气膜刚度以及承载能力取最大值槽数n槽数时影响密封性能的重要参数，一般选择在10到30为宜。槽深比η槽深比EE+=δη，其中E为槽深的一半，δ为气膜厚度。最佳值范围一般为0.35-0.6。槽台宽比λ1=同一圆周上槽的宽度槽台宽比整个槽台宽度，结果在0.4到1的范围内，密封的性能变化不是很大，一般当其在0.6左右时，密封的刚漏比、气膜刚度、承载能力等性能参数取最大值。槽长坝长比λ2=槽的径向长度槽长坝长比密封面径向长度，其值得大小反映了螺旋槽长度的大校槽长坝长比在0.4左右时，密封的气膜刚度、刚漏比、承载能力达到最大值。2.2.2干气密封的性能参数气膜刚度：每个单位膜厚的变化所引起气膜力的变化称为刚度，一般单位为N/m。
基于转子系统下干气密封非线性动力学研究203.2.2静环-气膜系统轴向振动模型图3.2干气密封系统运行模型依据动力学原理，对系统的构成进行分析。充分考虑静环-气膜系统中的主要非线性因素前提下，对系统进行理论建模。对于干气密封，系统的轴向振动相较于角向振动和平面移动，对系统稳定性影响更大。在前辈的研究基础上，以及现有的相关理论，将静环-气膜系统简化为图3.2所示。对于动环，不考虑微小角向扰动，其在作没有轴向串动的自由转动；对于静环，受到弹簧和气膜力共同作用，没有角向扰动以及其他自由度扰动。这样就将干气密封系统的轴向复杂的振动问题简化视作静环的轴向振动问题，如图3.3所示。假设条件：（1）动、静环只沿轴向做振动运动，其他自由度的运动时稳定的；（2）将系统气膜部分的轴向振动模型视为是单自由度受迫振动；（3）将干气密封系统气膜视为具有非线性阻尼和刚度的弹簧；（4）假设简谐激振力为外部瞬时激振力，轴向位移振动可假定为简谐运动。以静环为振子，建立气膜-静环系统轴向振动模型。图3.3气膜-静环系统轴向振动模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速角接触球轴承刚度计算及影响因素分析[J]. 丁鸿昌,李家成,李茂源,付会彬. 轴承. 2019(11)
[2]非线性共振及其计算和应用[J]. 侯磊,陈予恕. 机械工程学报. 2019(13)
[3]转子-轴承-干气密封系统轴向振动稳定性分析[J]. 张伟政,薛建雄,李金晓,丁雪兴. 润滑与密封. 2019(05)
[4]转子-轴承-干气密封系统振动响应及结构优化[J]. 张伟政,薛建雄,李金晓. 装备环境工程. 2018(07)
[5]干气密封动力学研究新进展[J]. 邓强国,宋鹏云,许恒杰,毛文元. 润滑与密封. 2018(06)
[6]密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响[J]. 陈源,彭旭东,江锦波,孟祥铠,李纪云. 摩擦学学报. 2017(02)
[7]整体式离心压缩机高速轴转子动力学分析[J]. 杨林杰,吴鲁纪,李俞峰,曹志刚,王敬元. 机械传动. 2016(09)
[8]磁悬浮高速电动机转子-轴承系统耦合振动特性研究[J]. 肖林京,吕楠,丁鸿昌,刘鲁伟. 轴承. 2016(07)
[9]螺旋槽型干气密封系统轴向振动影响因素研究[J]. 刘蕴,殷国富,杜建媛,张智. 四川大学学报(工程科学版). 2016(S2)
[10]螺旋槽干气密封微尺度气膜厚度计算及测试[J]. 严如奇,翟霄,张英杰,陆俊杰,丁雪兴. 甘肃科学学报. 2015(05)
博士论文
[1]干气密封非线性动力稳定性分析及其响应优化[D]. 张伟政.兰州理工大学 2012
[2]复杂转子系统动力学行为研究[D]. 闫志勇.复旦大学 2011
[3]转子—轴承—密封系统动力学特性研究[D]. 成玫.上海交通大学 2009
[4]转子—轴承—密封系统动力学建模及其特性研究[D]. 肖忠会.复旦大学 2006
硕士论文
[1]带挤压油膜阻尼器偏置盘转子双稳态特性分析[D]. 李宇.中国民航大学 2019
[2]转子—轴承—干气密封系统动力学特性研究[D]. 薛建雄.兰州理工大学 2018
[3]径向弹性阻尼保护轴承阻尼器的动态特性研究[D]. 王伟青.南京航空航天大学 2010
[4]转子—轴承—密封系统的非线性振动与分岔[D]. 李永.大连理工大学 2007
本文编号：3058098
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