复杂转子系统瞬态热振动及碰摩故障的动力学特性研究

发布时间：2020-04-02 08:21

【摘要】：随着工业的发展和科技的进步,旋转机械在工业生产中的地位显得更加重要,尤其在航空领域,发展航空燃气涡轮发动机技术对军事和经济建设具有极端的重要性。发展燃气涡轮发动机的关键是提高推重比,缩小转、静子间间隙是提高发动机输出功率最有效的措施之一。但是由于不平衡量过大、热弯曲等工况的存在,将导致转、静子间发生碰摩的机率急剧增大。然而,目前国内外对于瞬态响应、热振动以及转、静件碰摩故障研究,大多存在着所建立的模型比较简单、物理场单一等局限性,对于一些复杂转子系统和多物理场耦合转子系统的动力学特性的研究还不多见。例如,多盘转子系统起、停过程中的瞬态响应和热碰摩故障研究；双盘悬臂连续体转子-轴承-机匣耦合系统碰摩故障研究；连续体双转子-机匣耦合系统碰摩故障研究；三维实体单元转子系统热振动特性分析。复杂转子系统都具有比简单转子系统更加复杂的动力学特性,为了更加准确的揭示其动力学特性,本论文针对上述问题对航空发动机复杂转子系统的动力学特性进行了研究,主要研究内容和成果如下： (1)考虑到多盘转子系统经历的启动、停机工况是一个瞬态过程,而多盘转子系统瞬态响应比稳态响应复杂的多,往往也大的多,瞬态过程也更接近转子系统启动过程的的实际工况。因此,采用Riccati传递矩阵-直接积分法(Wilson-θ法),建立了考虑圆盘不平衡力和不平衡力矩时圆盘的新型受力模型,导出多盘转子系统的瞬态响应传递矩阵表达式,编制了本文算法的相关分析程序,对弹性支承的多盘转子系统的瞬态响应进行分析,讨论了加速度、不平衡量以及阻尼等参数对某多盘转子系统瞬态响应的影响。 (2)为了揭示复杂转子系统在热启动过程中的动力学特性,采用Riccati传递矩阵和Wilson-θ法相结合的瞬态传递矩阵法,分析稳态温度场条件下某多盘转子系统热启动过程中的瞬态响应。为了模拟转子系统的稳态温度场下热弯多盘转子系统启动时瞬态响应,建立了新型的稳态温度场下等截面无质量轴的计算模型,创新性地推导出了盘轴单元在热启动过程中的瞬态响应传递矩阵表达式。编制了本文算法的相关分析程序,对某多盘转子在稳态温度场下的瞬态响应进行了数值模拟计算,揭示了其热启动过程中的某些动力学特性,为改进转子系统运动稳定性提供理论与计算依据。 (3)由于航空发动机转子系统的工作环境非常恶劣,当转子具有较大的热弯曲时启动开车将使转子产生很大的振动,随之而来的是转、静件间发生热碰摩的机率急剧增大。为了揭示热弯转子系统的瞬态热碰摩动力学特性,采用Riccati传递矩阵和Wilson-θ法相结合的方法,建立了多盘转子系统的热碰摩动力学方程,创新性地推导出了盘轴单元在瞬态热启动过程中热碰摩响应的瞬态传递矩阵表达式。编制了本文算法的相关分析程序,对多盘转子热启动过程中的热碰摩故障进行了数值计算与分析,发现了在不同动、静件间隙下瞬态不平衡力碰摩和不平衡力与热弯曲耦合碰摩的若干非线性动力学特性。计算结果表明,多盘转子系统的瞬态不平衡碰摩响应以及瞬态不平衡响应与热弯耦合碰摩有着与单盘转子碰磨的稳态不平衡响应有着完全不同的非线性动力学特性。 (4)根据航空发动机转子系统的质量主要集中于压气机及涡轮部分的这一工程实际,建立了新型的含碰摩故障的双盘悬臂连续体转子-轴承-机匣耦合动力学模型,导出了双盘悬臂连续体转子的四阶偏微分运动方程。编制了本文算法的相关分析程序,研究了机匣与轴承耦合、轴承与转子耦合、机匣与圆盘碰摩的一个悬臂双盘连续体转子的整机动力模型,整个模型简化为具有22个自由度的耦合系统动力模型,通过变步长四阶龙格库塔法模拟了系统的碰摩故障响应,并讨论了转速与偏心量对系统碰摩故障响应的影响。发现了该模型在发生碰摩故障时的若干非线性动力学特性,为解决工程实际问题提供了一定的理论依据。通过文中所建立模型与单盘转子模型振动特性的比较,验证了建立文中模型的必要性。 (5)针对实际航空发动机的双转子-机匣耦合系统,创新性的建立了连续体双转子多盘-机匣耦合系统动力学模型,将轴承简化为弹簧和阻尼。考虑了低压转子与高压转子通过中介轴承的耦合作用以及高压转子与机匣的碰摩故障的耦合作用,导出了连续体双转子-机匣耦合系统的四阶偏微分运动方程。运用变步长四阶龙格库塔法模拟了双转子系统的碰摩故障响应,编制了本文算法的相关分析程序,分析了转速、碰摩刚度以及中介轴承刚度等参数对系统碰摩故障响应的影响,发现了不同于简单转子系统发生碰摩故障时的若干非线性动力学特性,为解决实际工程问题提供了可参考的理论依据,具有一定的工程意义。 (6)以某型航空发动机高压转子系统为研究对象,提出了通过子块串联2D编号方法及曲面节点坐标插值等实用方法,建立某高压转子弹性支承的三维实体单元有限元模型。以该转子系统在发动机运转停车一段时间后,启动过程经过暖机、盘车不够充分为背景。机匣内温度上热下冷,沿轴向分布也不均匀这一稳态温度场状况为基础,考虑了弹性模量为温度的函数。利用热-结构-动力学耦合理论,采用间接耦合法,分析稳态温度场对高压转子系统的固有频率、不平衡响应以及不平衡量与热弯曲耦合响应的影响,找出了影响该转子系统热振动特性的敏感因素,发现了采用二维梁单元模型无法观察到的动力学特性。结果表明,在对航空发动机转子系统的振动研究中,建立三维实体模型和考虑稳态温度场对转子系统振动特性的影响是非常必要的。
【图文】：

双转子,整体传递矩阵,状态向量

图2.1某双转子模巧Fig.2.1 Model of the double rotor-slator岕合单元的整体传递矩阵的第/个单元，其状态向量为：[Zl=[x,9,M,Q]

振型图,振型,直接积分法,近似表达式

图2. 4振型图Fig. 2.4 Vibration shape diagram2. 3 Riccati传递矩阵一直接积分法计算转子系统瞬态响应直接积分法的基本原理是设定位移、速度和加速度的近似表达式如有限差分表
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V235.1;TH113

【参考文献】