涡轮泵密封对转子动力特性的影响

某火箭发动机的氢涡轮泵存在异常振动问题,其原因是涡轮泵使用的迷宫密封对泵的转子系统稳定性产生了影响。为解决振动问题,建立转子系统模型,利用CFD软件获得密封和诱导轮动力特性系数,代入转子系统模型后提取转子系统对数衰减率,研究迷宫密封的各项参数和诱导轮对涡轮泵运行稳定性的影响规律,并分析采用孔型阻尼密封代替迷宫密封对转子系统稳定性的影响。结果表明:对于迷宫密封,采用较小的偏心率、较大的密封间隙、适宜齿厚和较多的齿数时,转子系统可获得比较大的对数衰减率,但仍不满足API617标准中对数衰减率大于0. 1的要求,而采用孔型阻尼密封代替迷宫密封能满足API617标准的要求,大大提高了转子系统的运行稳定性。同时研究表明,系统中的诱导轮对涡轮泵的稳定运行有负面影响。     

转子泵流量脉动系数的通用模型研究

为考察转子泵流量品质和建立流量脉动系数通用模型。基于凸转子共轭原理,依序由扫过面积法求解瞬时流量,由脉动因数的定义,建立流量脉动系数关于脉动因数的通用模型;再由转子型线统一的参数化坐标方程,建立脉动因数所需的瞬心半径及其法向角公式;由实例运算的分析结果,最终建立流量脉动系数关于转子形状系数的最简洁模型。结果表明:叶数和型线类型直接决定形状系数取值;最大脉动因数发生在共轭型线段的起点上,最小脉动因数≡2发生在位于节圆的终点上;同形状系数、不同叶数、不同型线类型的最大脉动因数相同,容积利用系数变化不大;形状系数为影响脉动系数的直接要素,形状系数越小,脉动系数越小。所述结论能为转子泵最优化设计提供理论基础。     

基于叶轮转子系统下的干气密封轴向振动分析*

为探究基于叶轮转子系统下干气密封轴向振动特性,基于干气密封结构特性,建立叶轮转子-轴承-干气密封系统轴向振动模型,采用待定系数法进行求解,推导得出静环轴向振动幅值表达式;建立叶轮转子-轴承-干气密封系统几何模型,运用ANSYS Workbench软件进行模拟仿真计算,分析气膜刚度和激振力对轴向振动的影响。结果表明:气膜刚度对动、静环振动幅值的影响不大;动、静环振动频率相同、振动幅值相同,说明动、静环的追随性高,其间隙稳定,从而保证干气密封的稳定运行;动、静环位振动幅值与激振力成正比关系,说明激振力严重影响干气密封的稳定性,为提高干气密封的稳定性,应平衡好叶轮的轴向激振力。     

进口预旋下三种典型迷宫密封转子动力特性研究

为探讨考虑进口预旋的迷宫密封转子动力特性,基于Murphy小位移涡动理论建立气流激振力与转子涡动位移的控制方程,采用用户自定义函数建立多频椭圆涡动模型,利用FLUENT动网格技术数值求解直通齿式迷宫密封（SLS）、倾斜齿式迷宫密封(ILS)和阶梯式迷宫密封(STLS)在不同预旋比下的激振力,通过快速傅里叶变换得到整机运行时的密封动力特性系数,并对转子稳定性和密封的泄漏量进行分析。结果表明：在40~180 Hz涡动频率范围内3种密封结构的直接刚度系数呈先减小后增大的趋势,表现出很强的频率相关性,而密封结构与进口预旋对阻尼系数的影响可以忽略;阻尼系数随涡动频率增加缓慢减小至负值并趋于平稳,其中STLS的阻尼系数最小,稳定性最差,ILS的稳定性最好;增加进口预旋比会降低有效阻尼系数,并导致泄漏量降低;STLS在不同预旋条件下的密封性能均最佳,相比于SLS与ILS的泄漏量分别减少了15%和7%;在研究的20~200 Hz涡动频率范围内3种类型迷宫密封的交叉刚度由负值增大为正值,而有效阻尼减小为负值,此时迷宫密封转子系统稳定较差,可能会诱发转子失稳。     

三维转子密封系统气流激振的研究

提出了分析三维转子密封系统气流激振流固耦合作用的数值计算方法。首先建立三维转子密封流固耦合模型,然后直接数值求解密封流场的非线性气动力,形成了考虑流固耦合效应的转子密封气流激振问题的分析方法。数值计算表明,对应于不同的转速、压比和预旋,转子振动的各个频率成分的幅值不同,但始终存在着转子一阶临界转速频率成分,而且该成分的幅值随着转速、气流进口压力和正向进气预旋的增高而增大,与工程和试验中的密封气流激振现象有较好的一致性,捕捉到了密封气流激振的基本特性。     

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。     

电动机轴承转子多频激励系统主共振分析

以三相异步电机轴承转子系统为研究对象,考虑转子在偏心力、轴承反力和不平衡电磁力影响。应用牛顿定律建立了电机轴承转子系统非线性振动方程。应用平均法,解析系统主共振的一次近似解和对应的定常解,并进行数值计算。分析转子偏心距、转子刚度和电磁参数等对主共振幅频响应曲线的影响。     

非线性耦合同向回转的双偏心转子振动系统同步行为研究

随着振动系统逐渐朝着大型化、重型化的方向发展,大激振力振动系统是未来发展一个较热的趋势。基于这一特殊背景,提出了非线性（拉簧）耦合同向回转的双偏心转子振动系统及其同步问题。首先基于拉格朗日方程建立了系统动力学方程;随后采用运动分离法建立系统慢变参数的积分方程,推导出了系统实现同步的同步条件和稳定性准则;其次,通过数值分析研究了系统结构参数对系统同步能力及同步特性的影响;继而,采用龙格库塔法建立了非线性耦合同向回转的双偏心转子振动系统的机电耦合仿真模型,开展了系统的同步状态与系统机电耦合的动力特性的仿真分析;最后设计了相关试验装置,开展了同步试验测试。研究结果表明,系统的同步行为主要受拉簧和支撑弹簧的刚度系数、激振电机的位置参数等的影响;激振电机的相位差随着拉簧刚度系数的增加逐渐稳定在零度附近,相应地系统同步状态从反相同步逐渐变成同相同步,理论研究和试验结果能较好吻合。所有研究为研发高效节能的大型振动机械提供指导作用,同时研究成果也对振动同步领域共性问题的解决具有促进作用。     

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．     

电机轴承转子多频激励系统参—强联合共振

以电机轴承转子系统为研究对象,考虑转子偏心力、轴承反力和不平衡电磁力影响。应用牛顿第二定律建立电机轴承转子系统非线性振动方程。应用求非线性振动的平均法,得到系统参强联合共振的一次近似解和对应的定常解,并进行数值计算。分析电磁参数对系统参强联合共振幅频响应曲线的影响,随着电阻增加或电抗的减小,系统参强联合共振幅频响应曲线向右偏移。     

激励幅值慢变转子系统的动力学研究

建立了激励幅值慢变转子系统的动力学模型,利用渐近法对其动力学行为进行解析研究,得到了用显式形式表示的近似解析解,给出了系统响应的时域波形图和轴心轨迹图,分析了激励频率和系统阻尼对最大轴心位移的影响。结果表明:激励幅值慢变转子系统的振幅会产生相应的慢变波动,此类转子系统为多周期运动,周期数取决于激励频率和幅值慢变系数组合关系,且振动周期具有参数慢变敏感性等。     

基于Taylor变换法的转子系统分岔与稳定性研究

对双盘转子系统的非线性动力学模型，引入求解非线性微分方程的Taylor变换法，分析转子振动系统动力学特性以及激振频率等参数对系统的影响，利用非线性动力学分析中的打靶法求该系统的周期解，并利用Floquet主导特征乘子判断不同周期轨道的失稳方式。结果表明，考虑非线性油膜力影响后，转子系统的运动状态随转速增加由周期至二倍周期再至周期再至拟周期，或者经周期运动直接至混沌运动．不平衡质量影响转子系统的分岔阈值和分岔类型，阻尼对分岔阈值和系统的运动稳定性有一定的影响。     

间隙环流中同心涡动转子动特性的研究

考虑轴向流动因素的影响，采用紊流整体流动模型和Moody壁面摩擦系数方程，建立间隙环流3D非线性微分方程，运用摄动法和线性振动理论分析求解间隙环流中同心涡动转子动特性系数。实例计算结果表明，间隙环流中同心涡动转子动特性系数与间隙的大于有关，同时分析轴向压差、壁面粗糙度、长径比及入口预旋等参数对大、小间隙环流中同心涡动转子的动特性系数的影响。     

迷宫密封对转子系统稳定性影响研究

透平机械中汽流激振力主要产生于各种形式的密封处,其对转子系统的稳定性有不良影响。因迷宫密封的存在而引起汽流激振,其各有关结构和工况参数对转子动力特性均存在影响。本文主要分析转子转速、入口预旋比、密封间隙、压差、齿数变化等一系列因素对转子系统稳定性的影响,为迷宫密封汽流激振的防治和迷宫密封设计中各参数的最优确定提供参考依据。     

碰摩转子系统振动响应的频率特征研究

以刚度为分段线性的 Jeffcott转子为转子与静子碰摩的简化模型 ,建立了系统的运动微分方程 ,在碰摩作用的时间间隔相同 ,且每次转子与静子接触时间极短的情况下 ,推导出了系统运动方程解的形式和系统振动响应的频率特征 ,证明了在这种假设下 ,系统呈周期或拟周期运动 ,数值计算也验证了这一结论     

Self-excited vibrations of a rigid rotor rubbing with the motion-limiting stop

The solutions of the motion governing equations of the rotor-bearing-stop system are analyzed to acquire the behavior of the self-excited vibration. The numerical iteration method is put forward to obtain the periodic solution implying that the rotor whirls forward in the perfect annular orbit and keeps full rubbing with the stop.The dynamics parameters such as the stop-to-bearing stiffness ratio, the friction factor and the damping coefficient determine whether the periodic solution exists. They also affect amplitude and frequency of the periodic solution. The numerical stability analysis on the periodic solution concludes that the periodic solution behaves in an unstable motion state which will develop into the forward dry whip through full rubbing or converge to the decaying natural whirl without rubbing. The evolvement of the unstable full rubbing rests on the initial vibration energy of the rotor. The analysis on existence and stability of periodic solution may explain the observations of initiation of full rubbing observed in experiments.Suggestion on selecting dynamic parameters of the rotor-bearing-stop system is presented in order to avoid the full rubbing which has great or catastrophic harm to the rotating machinery.     

上卧式闸门水弹性振动试验研究

为了研究新型上卧式工作闸门水弹性振动问题，考查水闸在引（排）水不同运行工况下作用于闸门结构的水动力荷载，取得了脉动压力量级及谱特征，并获得了该类闸门的最大脉动压力系数，为同类闸门动荷载设计取值提供了参考依据。此外，分析了闸门结构的静动力特性，论证了闸门启闭杆的动力稳定性。通过水弹性振动模型取得闸门流激振动响应特征，揭示了闸门振动的性质、量级及其危害，提出了控制闸门振动、确保闸门安全运行的措施和方法。     

Dynamic characteristics of multi-degrees of freedom system rotor-bearing system with coupling faults of rub-impact and crack

Extensive studies on rotor systems with single or coupled multiple faults have been carried out. However these studies are limited to single-span rotor systems. A finite element model for a complex rotor-bearing system with coupled faults is presented. The dynamic responses of the rotor-bearing system are obtained by using the rotor dynamics theory and the modern nonlinear dynamics theory in connection with the continuation-shooting algorithm（commonly used for obtaining a periodic solution for a nonlinear system） for a range of rub-impact clearances and crack depths. The stability and Hopf instability of the periodic motion of the rotor-bearing system with coupled faults are analyzed by using the procedure described. The results indicate that the finite element method is an effective way for determining the dynamic responses of such complex rotor-bearing systems. Further for a rotor system with rub-impact and crack faults, the influences of the clearances are significantly different for different rub-impact stiffness. On the contrary, the influence of crack depths is rather small. The instability speeds of the rotor-bearing system increase due to the presence of the crack fault. The results obtained using the new finite element model, presented for computation and analysis of dynamic responses of the rotor-bearing systems with coupled faults, are in accordance with measurements in experiment. The formulations given can be used for diagnosis of faults, vibration control, and safe and stable operations of real rotor-bearing systems.     

On the Dynamics of Lubricated Cylindrical Roller Bearings,Part II: Linear and Nonlinear Vibration Analysis

This article is the second part of two companion papers. In the first article, curve-fitted relations of stiffness and damping coefficients of a single roller-to-race contact of lubricated roller bearings were developed. In the present work, these relations are applied to a rotor–bearing system. Two cases are studied to investigate the influence of lubricated cylindrical roller bearings on the vibration characteristics of the rotor system. In the first case, lubricated contacts are simulated as a linear spring–damper model. The overall stiffness and damping matrices are calculated by using the dynamic coefficients of individual load sharing rollers. These matrices are used in the finite element analysis of flexible rotor. In the second case, the nonlinear structural vibration of a lubricated cylindrical roller bearing is studied. Equations of motion of bearing elements are derived using the Lagrange equation. A nonlinear load–deflection contact model developed through the derived curve-fitted relations of dynamic coefficients is used in the equations of motion. Equations of motion are solved by a fourth-order Runge-Kutta integration method. The response of bearing elements under free vibration and due to rotating unbalance is studied for damped and undamped cases. Furthermore, results obtained using elastohydrodynamic finite and infinite contact theories are compared.     

Stability and coupling dynamic behavior of nonlinear journal active electromagnetic bearing rotor system

The stability and coupling dynamic behavior of a journal active electromagnetic bearing rotor system are analyzed. The gyroscopic effect is considered in the rotor model. The system equations are formulated by combining equations for rotor motion and decentralized proportional integral differential (PID) controllers. A method combining the predictor-corrector mechanism and the Netwon-Raphson method is presented to calculate the critical speed at the corresponding Hopf bifurcation point of the system. For periodic motions, a continuation method combining the predictor-corrector mechanism and shooting method is presented. Nonlinear unbalanced periodic motions and their stability margins are obtained using the shooting method and established continuation method for periodic motions. With the change of control parameters, the system local stability and bifurcation behaviors are obtained using the Floquet theory. The numerical examples show that the schemes not only significantly save computing cost, but also have high precision.