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离心叶轮转子系统动力学特性的研究

作　者: 胡朋志
导　师: 孙启国
学　校: 兰州交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 离心叶轮转子动力学流体激振力耦合动力学特性非线性
分类号: TH311
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本文的研究是甘肃省自然科学基金项目“叶轮内部流场流固耦合机理及转子动力学特性研究”(ZS031-B25-009-G)的部分内容。叶轮机械作为重要的能量转换装置，广泛地应用于能源动力、化工石油、矿山冶金、交通运输、制冷低温、机械制造、建筑空调、食品医药和水利工程等国民经济的生产部门，因此，叶轮机械的动力学特性受到越来越多的国内外专家学者的关注。目前，对于一个已知的转子系统的动力学分析技术已经很成熟，同时，对于叶轮内部流场的分析也比较多，但是关于叶轮转子在流场中涡动时的动态激振力及其转子动力学特性的研究还很不完善。本文在分析了国内外专家学者研究的基础上，对离心叶轮转子系统的动力学特性做了深入的研究。主要的研究内容和结论为：对叶轮系统的受力情况作了具体的数值仿真，应用“非定常不可压缩势流理论”求出了叶轮系统在流场中所受的流体激振力的大小，通过从计算结果可以看出：在无叶扩压器时，切向力f_θ在负向涡动时为负值，在正向涡动时为正值；径向力f_r在负向涡动时减小，在正向涡动时增大。这表明流体激振力在各种运作条件下对叶轮转子运动起到阻尼影响。在有叶扩压器时，流体激振力由于叶轮与导叶叶片之间的耦合作用而表现出无规律的波动状态，但在单位时间内其流体力的平均值基本保持不变。将离心叶轮系统简化成单圆盘转子模型，即由两个相同动压滑动轴承支承的对称单质量弹性转子。在考虑流体激振力的同时，分析转子系统的振动特性，求出了叶轮系统的临界转速，失稳转速，振幅，相位以及轴心轨迹图。通过比较可以看出流体激振力对叶轮转子系统有显著的影响，这种影响表现为对其振幅和相位的干涉和对叶轮轴心轨迹的扰动。将叶轮转子系统简化为Jeffcott转子系统，并考虑到系统外激振力，采用短轴承非线性油膜力模型，求出了在非线性油膜力作用下的运动微分方程，采用Runge-Kutte法计算了转子在不同转速下的响应，通过分岔图，轨迹图，相图和Poincare映射图，研究了转子系统的分叉特性。并通过改变系统参数，如转子的质量偏心和轴承间隙，做了系统分岔特性的比较，结果表明质量偏心和轴承间隙将影响系统的稳定性能。讨论了一般的离心叶轮机械系统常见故障的原因，主要有：转子裂纹，叶片磨损失效，临界转速的影响，不平衡的影响，旋转脱离的影响，流体间隙激振的影响，转子对中不良的影响，摩擦激振的影响，喘振，系统的非线性分数谐波共振的影响。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 引言  11-19
  1.1 转子动力学概述  11
  1.2 叶轮系统动力学的研究背景  11-12
  1.3 内部流场测试概况及水力设计的现状  12-14
  1.4 叶轮机械内部的非定常流动现象  14-16
    1.4.1 非定常流动  15
    1.4.2 叶轮机械内部的非定常流动  15-16
  1.5 流体激振力  16-17
  1.6 本文的研究目标和内容  17-19
2.流体激振力分析  19-32
  2.1 引言  19
  2.2 离心叶轮横向负荷的起因和大小  19-24
    2.2.1 径向推力  22
    2.2.2 迷宫密封力  22
    2.2.3 叶轮与扩压器之间的耦合力  22-23
    2.2.4 叶轮涡动  23-24
  2.3 旋转运动和横向力  24-26
  2.4 理论分析  26-31
    2.4.1 计算方法  26
    2.4.2 横向流体动态激振力  26-31
  2.5 本章小结  31-32
3 叶轮系统的线性振动特性分析  32-43
  3.1 引言  32
  3.2 运动微分方程  32-33
  3.3 理论计算  33-40
    3.3.1 离心转子的一阶临界转速  33-35
    3.3.2 离心转子的失稳转速  35-40
  3.4 系统强迫振动响应的求解  40-41
  3.5 流体激振力对叶轮振动及轴心轨迹的影响  41-42
  3.6 本章小结  42-43
4 叶轮系统的非线性振动特性分析  43-57
  4.1 引言  43
  4.2 滑动轴承非线性油膜力模型  43-45
  4.3 运动微分方程建立  45-47
  4.4 参数变化对叶轮转子系统动力学特性的影响  47-56
    4.4.1 系统随转速变化分析  47-52
    4.4.2 对轴承间隙变化影响分析  52-56
  4.5 本章小结  56-57
5 离心叶轮机械常见故障诊断  57-68
  5.1 引言  57
  5.2 常见故障诊断  57-67
    5.2.1 叶轮转子裂纹  57-58
    5.2.2 叶轮的磨损失效  58-60
    5.2.3 临界转速  60-61
    5.2.4 不平衡  61-62
    5.2.5 旋转脱离  62-64
    5.2.6 流体间隙激振  64
    5.2.7 转子的对中不良  64-65
    5.2.8 摩擦激振  65-66
    5.2.9 喘振  66
    5.2.10 系统的非线性分数谐波振动  66-67
  5.3 本章小结  67-68
6 全文总结  68-71
  6.1 本文主要工作  68-69
  6.2 工作展望  69-71
参考文献  71-76
攻读硕士期间的研究成果  76-77
致谢  77

离心叶轮转子系统动力学特性的研究

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