呼吸裂纹转子动力学特性及裂纹诊断方法研究

发布时间：2020-04-03 19:18

【摘要】：随着工业需求的不断增加,航空发动机、燃气轮机等大型旋转机械逐渐向高速、高功率密度的方向发展,复杂苛刻的工作环境则对设备的安全可靠性方面提出了更高的要求。转子作为旋转机械的最核心部件,一旦出现磨损、裂纹等不可逆性的损伤,将极有可能导致转子的弯曲断裂,甚至会引起机组的破坏,造成严重的经济损失和人身安全问题。因此,研究裂纹转子的故障特征,从中提取出相关的故障诊断准则具有重要意义。本文基于断裂力学理论,首先计算由裂纹引起的各型应力强度因子,通过建立应力强度因子和应变能释放率的关系,对裂纹区域积分得到裂纹引起的附加应变能,利用Castingliano定理得到裂纹单元的附加柔度矩阵,从而求得裂纹单元的刚度矩,最后基于应力强度因子为零法建立裂纹的呼吸模型。同时通过有限元软件ABAQUS来模拟裂纹转子的呼吸效应以验证理论计算的准确性。考虑裂纹单元引起的转子刚度弱化,建立系统动力学方程。以模化的航空发动机悬臂转子为对象,分别研究裂纹深度、裂纹位置和裂纹倾角等对于转子系统动力学特性的影响,总结转子临界转速及其峰值的变化特性;分析裂纹转子亚临界共振区共振转速、共振峰值、轴心轨迹及加速度响应随裂纹参数的变化规律;同时考虑了支承刚度和裂纹单元长度对于裂纹转子系统响应的影响。呼吸型裂纹使得转子具有了时变的刚度,因此将会表现出一定的非线性。本文结合非线性振动的基本理论,通过转子系统运动的相轨迹图、Poincare图、分岔图等分析不同裂纹、偏心距及偏位角下转子系统的非线性特性。最后,研究不平衡力大小以及相位对裂纹转子系统动力学特性的影响以及不同参数的不平衡力和裂纹之间的相互主导作用;考虑非线性系统特有的组合共振现象,研究扭转脉冲、扭转简谐、轴向脉冲、轴向简谐激励、横向简谐激励等外部激励下的裂纹转子耦合动力学特性,提取相关的转子裂纹识别准则。
【图文】：

裂纹事故,600MW汽轮机组

a) 小轴裂纹 b) 转轴表面裂纹图 1-1 某型 600MW 汽轮机组裂纹事故上所述，为避免由于转子裂纹引起的旋转机械的事故发生，对于时诊断的重要性不言而喻。本文将基于模化的航空发动机悬臂转子同参数的裂纹引起的转子动力学特性变化规律，总结裂纹引起的裂纹的在线诊断提供依据。呼吸裂纹转子动力学特性研究现状 20 世纪六七十年代以来，国内外的诸多学者已经对带有呼吸型裂力学特性进行了大量的研究。1976 年 Gasch[2]首先指出转子裂纹刚度的周期性变化，提出了简单的方波模型来描述裂纹的开合变化ayes[3]等人在方波模型的基础上，首次提出了连续变化的余弦模型析了裂纹引起的轴段刚度变化量。高建民、朱晓梅[4]于 1992 年根变化情况进行了修正，在以上模型基础上提出了高-朱模型，该模期内裂纹的呼吸行为划分为全开、全闭及半开半闭四个阶段。陈永三种模型进行了对比研究，发现在临界转速附近三种模型都表现

模型图,裂纹转子,模型,斜裂纹

推导其裂纹单元的刚度矩阵。裂纹转子模型如图2-2 所示，转子半径为 R ，同时在轮盘附近含有一深度为 a 的裂纹，根据有限元理论，将转子划分为n个单元，每个单元 2 个节点，每个节点含有 6 个自由度。实际转子中的经常出现的为直裂纹或者斜裂纹，二者区别在于直裂纹的裂纹前缘线和转子轴线垂直，而斜裂纹的前缘线和转子轴线的夹角小于 90°，，此外裂纹的不同还表现在裂纹前缘线的形状上。本节拟带有斜裂纹的轴段单元为建模对象，推导其刚度矩阵，此时只需把裂纹倾角改为 90°
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH17

【相似文献】