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．     

双转子-支承-机匣耦合系统碰摩振动响应分析及试验验证

以某型航空发动机双转子试验器为研究对象,采用Newmark-β数值积分方法求解系统的动力学响应,在考虑高低压转子中介轴承的耦合和机匣的弹性变形及其运动的基础上,建立了碰摩故障双转子-支承-机匣耦合系统动力学模型,理论分析了转速、转子偏心量和碰摩刚度对转子系统动力学特性的影响并进行了相关试验。研究结果表明：发生碰摩故障时,转子和机匣测点频谱分析图中会出现转子的倍频和组合频率,可将其作为判断系统发生局部碰摩的特征信号;随着转子偏心量和碰摩刚度的增大,碰摩幅值响应愈加明显,碰摩程度亦愈加严重;机匣测点振动量值存在衰减,后续理论建模过程中应考虑传递过程的衰减。本研究结论可为碰摩故障机理的探究和碰摩故障的诊断提供参考。     

挤压油膜阻尼器长径比对风车碰摩转子系统动力学特性影响

为了研究挤压油膜阻尼器长径比对转子系统风车定点碰摩动力学特性的影响,搭建了转子-轴承-刚性机匣系统风车不平衡模拟碰摩实验台,简化实验器得双盘-滚动轴承转子模型,在实验之前对双盘-滚动轴承转子风车状态下定点碰摩故障动力学响应特性进行研究,为实验做出相应的预估。将双盘-滚动轴承转子系统碰摩模型简化为集中质量模型,基于达朗贝尔原理建立了考虑非线性油膜力、碰摩力以及支承轴承力作用的双盘-滚动轴承转子系统碰摩非线性动力学运动方程,采用四阶Runge-Kutta法对动力学运动方程进行求解,分析了系统响应位移随挤压油膜阻尼器长径比的变化规律。结果表明:长径比是影响转子系统运动状态的敏感参数,若增大长径比,转子系统运动状态先后经历混沌运动、周期运动、拟周期运动和混沌运动,之后一直维持在混沌运动状态;随长径比增大,转子系统抗失效不平衡量呈现先增大后缓慢减小的趋势;长径比在0.4时,转子系统抗振性能最优。     

转子径向碰摩非线性流固耦合动力学特性全自由度的动态分析

基于Jeffcott转子模型,用6自由度方法研究考虑涡轮非线性流固耦合力的转子径向碰摩动力学特性.通过响应分叉图、波形图、频谱图、轨迹、Poincaré图以及频率瀑布图分析在涡轮非线性流固耦合力作用下转子径向碰摩的动力学表现.与不考虑涡轮非线性流固耦合力相比,转子的径向碰摩的稳定运动区大大减小,转子的碰摩转速门槛值也相应降低,并且碰摩一开始系统振动就出现比较复杂的运动形式;轴向振动的频谱中明显出现了密集的超谐波群,扭转振动的频谱中则明显出现了密集的亚谐波群,这种具有混沌特征的频率成分代表了系统在碰摩力和涡轮非线性流固耦合力作用下的主要运动形式;在整个转速范围内,横向振动几乎具有单一的同步频率成分,轴向振动则表现出非常丰富的超谐波频率成分,这些频率成分主要分布于三个随转速的增加分别向三个固定的频率逼近且幅值逐渐升高的密集超谐波频带,扭转振动则在1/2倍频附近表现出丰富的亚谐波频率成分,其幅值也随转速的增加而逐渐升高.上述结论对涡轮转子系统的动力学设计和故障诊断具有重要意义.     

实验转子系统的动力学行为

为分析实验转子系统碰摩的分叉与混沌动力学行为,找到系统通往混沌的道路,应用数值分析方法对其进行研究.以转速为分叉参数,结合Poincare截面图、波形图、相平面图、轴心轨迹图和自相关函数图分析系统运动状态,同时分析质量比对实验转子系统响应的影响.分析结果表明,质量比对动力学特性有较大影响,系统通向混沌的道路主要是阵发性分叉和周期倍分叉.实验转子系统碰摩实验与数值模拟结果一致.     

Jeffcott转子系统碰摩的非线性行为研究

分析了Jeffcott转子系统碰摩时的现象及碰摩力作用的物理机理,建立了转子系统动力学模型,并对动力学模型进行了无量纲化.应用Matlab 7.0软件,采用标准的四阶Runge-Kutta法对转子碰摩动力学特征进行数值仿真.分析了系统在不同转速和偏心距下对碰摩转子系统分岔图的影响.并结合波形图、轴心轨迹图、相图、幅值谱...     

超超临界汽轮机转子密封激振特性研究

考虑非线性密封激振力、可倾瓦轴承的弹性支承力、转子阻尼力、转子不平衡力与重力,建立超超临界600MW汽轮机高中压转子-密封系统的非线性动力学模型。该非线性转子-密封系统动力学方程组具有超大规模的维数,采用Newmark数值积分方法对其进行求解,模拟出运行在正常工况下与最大工况下转子不平衡响应与汽流激振的特性;对转子不平衡量和密封流体的周向平均流速对汽流激振现象的影响规律进行分析。结果表明:在一定的范围内,不平衡量大小对发生汽流激振的失稳转速影响很小;密封内流体周向平均速比是影响汽流激振的失稳转速的主要因素,适当减小密封内流体周向平均速比可提高汽流激振的失稳转速;超超临界机组运行在最大工况下高中压转子发生汽流激振的失稳转速明显低于正常工况下的失稳转速。     

航空发动机双转子系统碰摩故障振动特性研究

航空发动机转子系统的振动对飞机的飞行安全具有重要影响。文中针对某型航空发动机无中介轴承的双转子系统的结构特征,采用集中质量法建立了双转子-轴承-机匣耦合的动力学模型,分别对内外转子碰摩故障进行了仿真,通过轴心轨迹图、时域波形图、频谱图、庞加莱图分析了双转子系统耦合振动响应特性,提取了内外转子碰摩故障特征。研究成果可以为航空发动机振动状态监测和故障诊断系统提供理论支持。     

转子—滚动轴承—机匣耦合系统的不平衡/松动耦合故障非线性动力学

建立含转子不平衡/松动耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力学模型.在模型中,考虑转子不平衡和轴承座松动故障的耦合、滚动轴承间隙、滚动轴承滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及由滚动轴承支撑刚度变化而产生的变柔性振动.运用数值积分方法获取系统响应,并利用振幅-转速曲线、分叉图、相平面图、频谱图、Poincaré断面图和轴心轨迹图研究系统的分叉与混沌运动,分析旋转速度、轴承座质量、转子偏心量、轴承座与机匣间的连接刚度以及机匣与基础间的连接刚度对系统响应的影响,得到了在不平衡/松动故障耦合下的转子-滚动轴承-机匣系统动力响应规律.     

汽流激振力下转子裂纹-碰摩振动故障研究

针对汽轮机机组在运行过程中出现的振动故障问题,在考虑汽流激振力情况下建立了转子系统故障分析模型.通过数值分析方法,对转子故障模型进行了研究分析.结果 表明:在综合考虑汽流激振力作用下多种非线性因素作用时,碰摩转子系统在临界转速的混沌区域明显减小,并出现有幅值较大的1/4、3/4倍频.当裂纹深度增加时,故障转子系统的混沌区域逐渐减小;在超临界转速区域系统响应呈现出较长的周期3运动,频谱图上主要体现为3/4、2倍频.研究结果为进一步的故障问题分析诊断提供一定的理论依据.     

A novel nonlinear model of rotor/bearing/seal system and numerical analysis

A novel nonlinear model of rotor/bearing/seal system based on the Hamilton principle is proposed for steam turbine systems in power plants. The Musznyska model and unsteady bearing oil-film force model were applied to describe the nonlinear steam excitation force and oil-film force. The Runge-Kutta method was used to solve the motion equation of the rotor/seal/bearing system. The dynamic characteristics of the rotor/bearing/seal system were analyzed with bifurcation diagrams, time-history diagrams, trajectory diagrams, Poincare maps and frequency spectrums. The numerical analysis indicates that the seal force and the oil-film force influence the nonlinear dynamic characteristics of the rotor system. With the increase of rotation speed, the rotor system exhibits rich forms of periodic, double-periodic, multi-periodic, quasi-periodic and chaotic motion. The combined impact of steam excitation force and bearing oil-film force may cause a severe vibration which seriously affects the safety and stability of the rotor. The presented model provides a theoretic foundation for further research on the ultra-supercritical steam turbines.     

轮盘质量和位置对转子临界转速灵敏度分析

为提高火电机组效率,降低污染物排放量,汽轮机组在通流改造中级数有所变化,使转子质量和质心位置发生改变,导致转子临界转速变化,对运行造成一定影响。针对此问题,利用试验测量了不同轮盘质量和位置的转子临界转速,并与理论计算结果进行了比较分析,引入灵敏度分析方法分析了轮盘质量和位置变化对汽轮机转子临界转速的影响。试验研究得出了与理论分析吻合的结论,即转子临界转速随着轮盘质量的增加而减小,随着轮盘偏置量的增加而增加。轮盘偏置量对临界转速的灵敏度系数在0.25~2.4之间,偏置量越大,灵敏度系数越大;质量对临界转速的灵敏度系数在-0.35~-0.001之间,质量增加比例越大,灵敏度系数越小;偏置量对临界转速的影响远远大于质量的影响,大约是7~10倍;同一质量轮盘偏置量大于40%,对转子临界转速改变量较明显;同一偏置位置,质量增加量小于50%,对转子临界转速改变量较明显。这些结论为解决现场汽轮机转子临界转速的调整起到了借鉴作用。     

转子绕组短路故障下不平衡电磁力计算方法

通过建立发电机有限元分析模型,得到故障下发电机内部磁力线走势、发电机气隙磁通密度的变化以及短路位置、短路匝数和励磁电流对转子不平衡电磁力的影响。对工程实际中常用的等效磁通法和磁势叠加法进行了分析比较,同时改进了现有的等效磁通计算方法。将两种方法不平衡电磁力的计算结果与有限元方法结果进行比较,指出了结果存在差异的原因。     

含转子不平衡的磁轴承建模与同频电流抑制

为实现含转子不平衡的磁轴承系统动力学建模与同频电流抑制,分析了同频电流、力和力矩的产生机理,即转子不平衡（含静不平衡和动不平衡）经控制器、功放系统、感应电动势在磁轴承线圈中引起同频电流,进而与电流刚度和位移刚度相互作用产生力和力矩,完成了径向4自由度全主动磁轴承系统的建模。对该模型进行了数学求解和验证,提出了一种基于相移通用陷波反馈控制的同频电流抑制方法,可有效抑制控制器、功放系统和感应电动势产生的同频电流。仿真和实验验证了该方法的有效性,与传统的控制器串联陷波器方法相比,基于相移通用陷波反馈控制的同频电流抑制方法还可减少感应电动势引起的同频电流,同频电流进一步衰减了8.8dB。     

重复控制与积分正反馈组合的磁轴承低功耗控制

本文提出一种重复控制与积分正反馈相结合的控制方法,以抑制磁轴承系统功耗。首先建立了磁轴承系统的数学模型,分析了由重力、转子不平衡和位移传感器噪声引起的电流噪声的频率特性,分析发现其可分为直流和多谐波两大类;其次推导了用于消除直流电流的控制器需满足的条件,在此基础上,设计了一种电流积分正反馈算法。通过调节转子的悬浮位置,利用混合磁轴承中永磁体产生的磁力抵消重力,抑制电流的直流分量,采用根轨迹方法确定保证闭环系统稳定的参数取值范围;然后提出一种嵌入式重复控制方法抑制转子不平衡和位移传感器引起的多谐波电流噪声,采用重构谱理论判定系统的稳定性。最后以磁悬浮控制力矩陀螺为测试平台,对所提出的控制算法进行仿真和实验研究。结果表明:采用该算法后,电流的直流分量基本被抑制,谐波分量的峰峰值减小了88.3%,功耗减小了7W,验证了该算法的有效性。     

Manufacturing Error Effects on Mechanical Properties and Dynamic Characteristics of Rotor Parts under High Acceleration

Stress, strain and vibration characteristics of rotor parts should be changed significantly under high acceleration, manufacturing error is one of the most important reason. However, current research on this problem has not been carried out. A rotor with an acceleration of 150,000 g is considered as the objective, the effects of manufacturing errors on rotor mechanical properties and dynamic characteristics are executed by the selection of the key affecting factors. Through the force balance equation of the rotor infinitesimal unit establishment, a theoretical model of stress calculation based on slice method is proposed and established, a formula for the rotor stress at any point derives. A finite element model (FEM) of rotor with holes is established with manufacturing errors. The changes of the stresses and strains of a rotor in parallelism and symmetry errors are analyzed, which verify the validity of the theoretical model. The pre-stressing modal analysis is performed based on the aforementioned static analysis. The key dynamic characteristics are analyzed. The results demonstrated that, as the parallelism and symmetry errors increase, the equivalent stresses and strains of the rotor slowly increase linearly, the highest growth rate does not exceed 4%, the maximum change rate of natural frequency is 0.1%. The rotor vibration mode is not significantly affected. The FEM construction method of the rotor with manufacturing errors can be utilized for the quantitative research on rotor characteristics, which will assist in the active control of rotor component reliability under high acceleration.     

汽轮机轴振抑制方法研究

针对某电厂2号机组发生1号轴振超标问题的诱发原因及振动控制方法开展研究。根据振动响应分析,归纳出转子由于不平衡、不对中及碰摩激振的动力学特性及故障特征。根据处理方案,对高、中压缸进行揭缸处理,检查并调整汽封及通流间隙,消除动静碰摩等因素,并对轴系进行重新找中,经启机后1号轴振超标问题消除。     

The nonlinear and ball pass effects of a ball bearing on rotor vibration

A ball bearing is generally assumed as a linear spring in rotor dynamic analysis. In real case, the force equilibrium of the bearing is changed as the relative position, of each ball with respect to the direction of radial force. So, the stiffness of the bearing is also changed and is a function of time and position. In this study, the nonlinear characteristics of a ball bearing are considered in analyzing the vibration response of a rotating shaft due to an unbalance force. A finite element method is used to analyze the vibration characteristics of a rotor-bearing system and a direct numerical integration is performed to calculate the transient response of the rotor system. The responses are converted to the frequency domain and the effects of the parametric excitation due to a ball bearing are examined. The test rig for the investigation of the effect of a ball bearing on the rotor vibration is set up and the results are compared with those of numerical calculation. The calculation results show that the amplitudes of the nonlinear model are larger than those of the linear one. The frequencies of the calculations can be matched to the measured frequencies.     

旋转机械动静碰摩耦合振动分析

针对摩擦转子系统动力特性建立一种耦合分析模型。结合摩擦热冲击温度方程和转子热弯曲方程,推导转子热弯曲与温度直接相关的微分方程,进而建立摩擦转子动力方程与热冲击温度方程耦合的时变方程。该耦合方程既包括摩擦力冲击和热冲击对转子动力特性的影响,也包括振动特性对摩擦热量的影响。运用该耦合模型,分析某实际发电机转子摩擦情况下的振动特性。给出摩擦截面碰摩力、温度、转子弯曲变形和振动波形随摩擦时间的变化情况,结合频谱图分析不同碰摩情况下振动谐波成分,得到振动随时间逐渐发散和波动的过程。给出碰摩位置和转速对摩擦振动的影响。运用分析结论解释某实际机组发生的摩擦现象。     

基于显式有限元的转子不平衡与轴承故障耦合分析

为分析转子不平衡与轴承故障耦合振动特征及产生机理,在对转子不平衡与轴承故障耦合状态下受力分析的基础上,基于虚位移原理的增广拉格朗日法建立轴承运动控制方程,运用LS-DYNA建立转子-轴承系统二维显式动力学有限元模型,分析了故障耦合状态下轴承振动加速度、转子轴心运动轨迹,探明了转子不平衡-轴承缺陷耦合故障冲击响应特征及转...