转子-轴承-干气密封系统轴向振动稳定性分析

基于非线性振动原理,建立转子-轴承-干气密封系统轴向振动动力学模型,定性分析螺旋角及螺旋槽槽深对系统稳定性的影响,并与仅考虑干气密封系统的分析结果进行比较。在特定工况下,计算并通过多次拟合得到非线性气膜轴向刚度和阻尼,将其代入到双自由振动方程,得到一个三阶的非线性双自由度受迫振动微分方程。运用Runge-Kutta对该方程进行求解,分析螺旋角对密封环振动位移的影响。结果表明:静环的振动位移随着螺旋角(76.5°～80.0°)的增加先减小后增加,当螺旋角为78.50°时,振动数值最小,其最大振幅为7μm,最大振速为25μm/s;在考虑转子和轴承影响的干气密封系统中,螺旋角对密封环振动的影响更加显著;改变螺旋角可以调节和减小密封环的振幅,而改变螺旋槽槽深对静环的振动幅值几乎没有影响。研究表明,通过适当增加螺旋角度(0.5°～0.6°),可以使密封环的振动位移最小,从而保证干气密封系统的稳定运行。     

螺旋槽干气密封性能参数的测试技术及试验研究

由于干气密封端面间隙仅为3~5 μm,因而对端面流场气膜参数及其位移变化量的测试技术是个难点,同时也是研究干气密封系统稳定运行的关键点。基于Labview测试系统软件平台,通过编写测试程序建立干气密封端面参数测试系统,确定相应的测试技术,选用合适的传感器等硬件设备,采用必要的抗干扰措施,对影响端面密封性能的参数(泄漏量、功耗、膜压)和端面稳定性参数(膜厚及振动位移)进行测试,研究不同工况下压力和转速对端面参数的影响。试验表明：气膜压力、气膜厚度、泄漏量、功耗随着压力和转速的升高而增大;气膜和静环的位移量随着压力和转速的增加而减小;气膜的振动幅值很微小,特例中仅为0.04～0.16 μm,,说明静环追随动环性能较好;同时,气膜刚度随着压力和转速的升高而增加,反映出高压力、高转速下干气密封能够稳定运行。     

非稳态流体激励下离心泵转子振动特性研究

建立了离心泵全流道三维定常及非定常CFD数值模型,通过非稳态计算得到作用于叶轮上的流体激振力,同时建立了泵转子有限元模型,研究不平衡质量与非稳态流体激振力对转子振动特性的影响。研究结果表明离心泵叶轮内流体激振力具有多种频率成分。不考虑转子上不平衡质量影响时,叶轮处转子在流体激振力作用下振动幅值最大,依次为转轴中部、下部轴承和上部轴承对应的转子位置。转轴上不同位置振动频率特性具有差异,实际故障诊断时要考虑测试部位的影响。考虑不平衡质量影响时,在远离受流体激振力作用的叶轮部位,转子振动频率成分减少。     

透平压缩机转子系统常见振动故障分析及处理

透平压缩机在高速高压高功率密度工况下,易产生强大的激振力,致使转子在工作中失去稳定.针对透平压缩机转子系统常见的转子不平衡、对中不良、轴承故障、密封故障和轴向窜动等振动故障的原因进行分析,提出改进措施,以保证压缩机组安全稳定运行.     

静压气体轴承静刚度的动态测试新方法

以环面节流静压气体球轴承为例,建立轴承动静态刚度与气膜位移-动态力频响函数的数学模型;借助数学分析和数值试验,从理论上揭示了轴承气膜位移-动态力频响函数与气膜静刚度、动刚度之间的联系,指出静压气体轴承静刚度的测量可以通过测量低频下气膜频响函数的幅频特性来代替.介绍球轴承气膜幅频特性测试装置的工作原理及测试系统固有模态对测试结果的影响.实测结果表明,静压气体轴承静刚度的动态测试新方法是正确可行的,气膜与承载质量构成的本质非线性二阶振动系统,其低频段的动态刚度数值仍然等于该工作点处的静刚度.新的测试方法,能够实现轴承静态刚度的在线自动测试,提高静刚度的测试精度和效率;将激振频率扩展到机械系统通常涉及的频段后,可以同时得到轴承的动静态刚度和气膜位移-动态力的幅频特性,这对于气体轴承稳定性及精密轴系动态性能的研究具有重要的意义,是轴承的静态测试所无法实现的.     

球面螺旋槽动静压气体轴承试验台的研制及试验分析

为研究气体轴承的工作机理和静动态特性、设计了球面螺旋槽动静压气体轴承试验台,通过转子升降速试验分析转速-时间、碰磨电压-时间曲线,得到转子的起飞转速为15 762 r/min;通过轴承轨迹、频谱试验研究轴承-转子系统稳定运行到失稳过程的振动变化特性,进一步使用MATLAB,MYSQL数据库及数据处理系统对试验数据进行在线和离线处理,求得气体轴承刚度、阻尼等静动态特性与供气压力、转速的变化关系;通过电磁激振系统对转子进行加载试验,研究刚度、阻尼与激振频率变化关系。试验表明:试验台可测量气体轴承的转子转速、振动位移、轨迹、频谱、起飞转速及刚度、阻尼等静动态特性系数,研究气体轴承稳定运行及失稳过程静动态特性变化和运行参数对轴承静动态特性的影响。     

指尖密封/转子系统密封力的一种计算方法

指尖密封作为转子系统中组成部件,其与转子之间的相互力学作用对系统动态特性会产生影响。从系统的观点研究提出指尖密封密封力的计算方法,是构建和开展转子系统动力学模型和相关动力学分析的基础工作。本文首先通过流固耦合分析实现了嵌入指尖密封结构效应的指尖密封气膜刚度与气膜阻尼计算,构建了指尖密封气膜刚度和气膜阻尼拟合公式,在此基础上结合指尖密封-转子的接触处理,建立指尖密封/转子相互作用力学模型,提出了一种适用于转子系统动态分析的指尖密封密封力的计算方法,并通过算例实施了指尖密封密封力计算流程,同时探讨了密封力与密封工况条件的关系。计算结果表明:指尖密封气膜刚度随密封压力差增大而增大,转子转速对气膜刚度的影响很小;指尖密封气膜阻尼随密封压力差和转子转速的增大而减小。接触区的密封力随转子涡动幅值增大而增大,但基本不随转子转速变化,非接触区的密封力随转子涡动幅值的增大而减小,随着转子转速增大而增大。指尖密封的密封力随时间呈周期性变化,密封力变化频率随转子转频增加而增加。     

超声振动承载气膜对电机转子悬浮支承与减摩的研究

设计一种用于支承电机转子的超声波悬浮轴承,该轴承由圆锥形压电换能器辐射端面与连接在电机转子端的圆锥环构成。压电换能器在振动过程中在轴承间隙形成稳定的承载气膜,对电机转子悬浮。对承载气膜产生的承载能力进行分析和测试,获得悬浮力与悬浮间隙之间的关系,从理论上分析在超声悬浮支承条件下,悬浮间隙变化与气膜刚度对电机转速的影响,对转子最高转速与悬浮间隙的关系进行实验研究。结果表明,利用压电换能器圆锥辐射面与圆锥环构造的超声波悬浮轴承,能够形成对电机转子的轴向和径向支承;通过减小悬浮间隙,能够增强间隙气膜的刚度,并提高转子的最高转速,轴承间无摩擦。     

带有支座松动故障的离心泵叶轮转子分岔特性分析

将离心泵叶轮转子系统简化为中间带有刚性圆盘的柔性转子,在引入非线性横向流体激振力的条件下,建立带有支座松动故障的不平衡离心叶轮转子在非线性轴承油膜力作用下的振动模型,并推导系统的无量纲运动方程.运用数值积分法研究系统的分岔特性,分析横向流体激振力以及松动端轴承支座质量对该类离心泵叶轮转子系统非线性动力学特性的影响.     

转轴-可倾瓦-密封系统振动稳定性测试分析

针对现场实测振动数据表明转轴-可倾瓦-密封系统存在的振动失稳问题,从可倾瓦参数的理论模型、汽流激振力、进汽方式、运行参数、轴承载荷、安装工艺等角度分析转轴-可倾瓦-密封系统振动失稳的原因,并深入讨论转轴-可倾瓦-密封系统振动稳定裕度问题,提出用对数衰减率、系统阻尼、系统抗定常干扰界限值来描述系统的稳定性。     

浮环轴向长度对高速轻载涡轮增压器转子系统振动特性影响研究

浮环轴承内外轴向长度结构参数会影响油膜压力分布与偏心率,产生显著分频振动而引发高速轻载涡轮增压器转子非线性振动故障。基于流体润滑理论和浮环力矩平衡方程,推导了含浮环轴承的涡轮增压器转子系统动力学方程,揭示浮环轴承轴向长度与转子系统振动响应之间的关系。以某型汽油机用涡轮增压器转子系统为例,分析浮环内、外轴向长度对轴承油膜压力、偏心率等动力特性的影响,构建转子系统动力学有限元模型,通过三维振动瀑布图研究不同浮环轴向长度下转子系统频域瞬态振动响应,结果表明：浮环内轴向长度从2.6增加到4.6 mm,导致浮环转速升高,最大内油膜压力减小,轴颈偏心率降低,分频幅值增加且出现分频的轴颈转速由142 kr/min降至76 kr/min,更易产生明显的非线性涡动现象;浮环外轴向长度从3.6增加到6.15 mm,使浮环转速降低,最大外油膜压力变小,浮环偏心率及轴颈相对浮环的偏心率减小,低转速下分频幅值减少且出现分频的轴颈转速由10 kr/min升至22 kr/min,可抑制转子系统过早发生非线性涡动,为浮环轴承结构参数设计与试验提供理论支撑。     

非线性转子-机匣密封碰摩系统的耦合振动分析

随着旋转机械结构参数的提高,作用在转子上的气流激振力将显著增大．针对转子-机匣密封碰摩系统进行了研究．应用MuSzynska非线性密封力模型,建立了在气流激振力作用下的转子-机匣碰摩系统耦合动力学方程,分析了在非线性密封力作用下的碰摩转子运动特性．着重讨论了迷宫密封的物理和结构参数对碰摩转子运动特性的影响．研究结果表明,系统具有非常丰富的非线性动力学行为,气流激振力对碰摩转子的准周期运动有明显的抑制作用,密封结构的各主要参数对系统稳定性有很大影响,可以通过调整密封参数来改善系统的动态稳定性．为旋转机械的理论设计和故障动态监测提供了依据．     

气膜密封稳态性能仿真分析

针对高速、高温、高压差工况下的端面气膜密封,应用计算流体力学(CFD)Fluent软件,对含端面锥度的气膜密封三维流场进行数值模拟,分析动、静环不同端面锥度对气膜密封稳态特性的影响。仿真结果表明:动、静环端面锥度对端面气膜密封轴向承载力、轴向刚度和泄漏量的影响都很显著,而对摩擦转矩影响较小可以忽略;适当的端面负锥度可以增大轴向承载力与轴向刚度,并可以减少泄漏量,有利于密封性能的提升。     

气体轴承特性模拟及实验验证

针对某30 kW微型燃气轮机用静压气体轴承,开展轴承刚度、承载力及轴系临界转速特征的数值与实验研究。通过离散化可压缩雷诺方程,采用数值迭代方法,获取轴承内气膜压力分布和气膜刚度特性;采用有限元方法,研究转子-轴承系统的模态特性与临界转速;在气体轴承支撑的微型燃气轮机试验台上,采用时域振动信号和不平衡响应曲线等振动测试分析方法,获取轴系的气膜临界转速特性。研究结果表明:研究的该静压气体轴承,其转速在30 000 r/min内动压效应相对于静压效应可以忽略;轴承气膜刚度随着偏心率增大而增大,但当偏心率超过0. 8时,由于出现"静态不稳定区域"导致气膜刚度下降。数值模拟和实验都证实了转子在6 000 r/min和9 000 r/min附近出现了由气膜刚度引起的锥动临界特征。     

动静压气体轴承-柔性转子系统的动力学特性

针对高速动静压气体轴承 柔性转子系统中存在的气膜振荡现象,考虑轴承供气压力对轴系动力学特性的影响,开展了转子系统动力学特性的实验研究。采用模态实验分析的方法,得到了转子临界转速区域,为升速实验方案的制定以及气膜振荡机理的分析提供依据。采用分岔图、三维谱图、轴心轨迹等非线性振动测试与分析方法,研究了供气压力对气膜振荡特性的影响。实验结果表明,轴承供气压力对转子的升速响应和失稳门槛转速有着重要的影响。随着供气压力的增加,消除了二阶模态气膜振荡,同时,变轴承供气压力方案下1阶模态气膜振荡的幅值比0.4 MPa下1阶模态气膜振荡的幅值小。另外,较高的轴承供气压力能够提供较大的轴承直接刚度,因此,平动、锥动以及1阶弯曲固有频率随轴承供气压力的增加而增加。     

轴向磁悬浮轴承支承特性理论分析和实验

磁悬浮轴承广泛用于高速旋转机械,磁悬浮轴承的支承特性对研究该系统的动力学问题具有重要影响。提出了准确地测量轴向磁悬浮轴承支承参数的通用方法,为磁悬浮轴承转子系统动力学仿真分析、优化设计提供了可靠的建模依据。以一轴向磁悬浮轴承为例,首先在理论上计算了力-电流系数和力-位移系数,然后采用载荷法进行实验测定,实验结果略小于理论计算结果,因为实际系统存在漏磁,所以这是合理的。实验测定磁悬浮轴承刚度阻尼的方法主要是利用外部激振力对系统的激振和测试得到的系统响应之间的关系来识别,采用力锤脉冲激振法,从轴向磁悬浮轴承稳定悬浮下的频响函数中,测出系统的刚度约为4.55×106N/m,阻尼约为748N.s/m。     

非线性裂纹转子密封系统的耦合振动分析

随着旋转机械结构参数的提高,作用在转子上的密封中的气流激振力将显著增大。本文针对裂纹转子密封系统进行了研究。应用Muszynska非线性密封力模型,建立了在密封中的气流激振力作用下的裂纹转子系统耦合动力学方程,分析了在非线性密封力作用下的裂纹转子运动特性,并着重讨论了迷宫密封的物理和结构参数对裂纹转子运动特性的影响。研究结果表明,系统具有非常丰富的非线性动力学行为,密封中的气流激振力对裂纹转子的周期运动有明显的抑制作用,密封结构的各主要参数对系统稳定性有很大影响,故可以通过调整密封参数来改善系统的动态稳定性,这为旋转机械的理论设计和故障动态监测提供了理论依据。     

仿生集束螺旋槽干式气体密封特性的数值分析

基于耦合仿生学原理,提出一种仿生集束螺旋槽端面干气密封结构以解决普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题。基于气体润滑理论,建立仿生集束螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值模拟分析槽宽比、螺旋角、微槽数及阶梯槽深比对动压开启力增长率、轴向气膜刚度、角向气膜刚度和刚漏比等密封特性参数的影响规律,给出仿生集束螺旋槽主要结构参数的优选值范围。结果表明:在高速低压条件下,相比于普通单向螺旋槽干气密封,仿生集束螺旋槽干气密封的密封性和稳定性等密封性能都有显著改善,其动压开启力增长率、轴向气膜刚度和刚漏比的增幅均超过20%。结果证明基于飞鸟翼翅的端面型槽仿生设计可以显著改善普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下的运行稳定性,为相关工程选型与开发设计提供参考。     

口环密封对高压多级离心泵临界转速的影响

高压多级泵单级扬程较高,叶轮密封环前后压差大,口环密封的等效刚度对转子湿临界转速的影响较大。在计算转子的湿临界转速时需要求解口环密封的主刚度系数。使用Pro E件计算得出密封处的流场力,进而求解密封环的主刚度系数,并用轴承刚度定义进行验证。利用ANSYS-Workbench对高压多级泵进行模态分析,对比考虑口环密封前后,转子临界转速的变化情况。结果表明:口环密封使前两阶弯振临界转速大幅增加,随着转速的增加,口环密封对临界转速的影响越来越小;口环密封降低了扭转振动的临界转速,且对第一阶扭转振动的临界转速影响较大;口环密封可以降低陀螺效应对转子临界转速的影响。     

电磁支撑控制非线性刚度转子系统振幅突变机理分析

为控制非线性刚度转子系统振幅突变,将具有非线性变刚度功能的电磁支撑引入转子系统,建立了转子系统动力学模型。利用平均法导出了转子系统主共振频率响应方程。基于突变理论和奇点稳定性理论分别得到了转子系统的振幅突变区域和不稳定区域。借助数值仿真算例分析了非线性电磁支撑刚度参数对突变区域、不稳定区域以及振幅特性曲线的影响。结果表明:当激振力幅值在控制后的渐变区域内取值时,振幅突变得到完全控制;当激振力幅值在控制后的突变区域内取值时,振幅特性曲线仍存在多值特征,振幅突变仅仅得到部分控制。