旋转冲压转子-动静混合气体轴承系统振动特性仿真研究

本文研究了旋转冲压压缩转子涡动时,在进气道压缩气流激力作用下的动静压混合气体轴承-柔性转子系统非线性动力学特性。首先对压缩进气道的内部流场进行分析,获得作用在转子上的非线性复杂激振力模型;同时采用有限单元法对旋转冲压发动机中动静压混合气体轴承转子系统（多自由度）进行建模,对含时间项的气体润滑雷诺方程与转子运动学方程进行耦合求解。通过动力学仿真获得了该系统在不同供气压力及不同偏心距作用下的轴心轨迹图与频谱图。研究结果表明,适当的选择供气压力与偏心距,可以降低旋转冲压压缩转子-动静混合气体轴承系统的振动幅值并提高其稳定性。     

Alford力和磁悬浮轴承对转子系统动力学特性的影响

以磁悬浮轴承支承的航空发动机高压模拟转子为对象,研究了在压气机叶尖气流激振力和磁悬浮轴承电磁力共同作用下的转子系统动力学特性。采用Timoshenko梁理论建立了模拟转子的有限元模型,在模型中引入由PID方法控制的差动磁悬浮轴承电磁力以及由Alford力表示的压气机叶尖气流激振力,利用Newmark-β法求解了转子系统的动力学响应。计算结果表明,在非线性Alford力和磁轴承电磁力共同作用下,转子系统表现出了较复杂的动力学特征;磁悬浮轴承的控制参数对转子系统特性有较大影响,不同取值可能导致转子出现单周期、多周期拟周期甚至失稳等不同动力学行为;因此,对由磁悬浮轴承支承并含轴流压气机的转子,需考虑叶尖气流激振力与电磁轴承力的相互影响进而确定轴承控制参数。     

汽轮机非线性间隙气流激振力作用下含裂纹转子的振动特性研究

建立了在汽轮机非线性间隙气流激振力作用下裂纹转子-轴承系统的动力学分析模型,并采用数值积分方法研究此类裂纹转子系统的分岔与混沌特性。利用Poincare截面和分岔图的变化分析汽轮机非线性间隙气流激振力和裂纹深度对系统振动响应特性的影响。分析结果表明：汽轮机非线性间隙气流激振力会使得系统的周期性运动状态提前,且混沌区域发生明显的减小;在浅裂纹时,汽轮机非线性间隙气流激振力对系统的响应起主导作用,且在超临界转速区域出现周期8运动;随着裂纹深度的增加,系统运动的混沌区域逐渐减小几乎消失,在超临界转速区域的逆周期运动演变为较长的周期3运动。研究结果可以作为含裂纹转子在汽轮机非线性间隙气流激振力作用下耦合故障发生的典型特征,也可作为此类耦合故障诊断的依据。     

大型非线性转子-密封-轴承系统的不平衡响应与稳定性

对实际大型汽轮机转子-密封-轴承系统建立了具有超大规模维数的非线性动力学模型,该模型考虑了密封的非线性激振力、可倾瓦轴承的弹性支承力、转子的阻尼力、不平衡质量力和重力.采用Newmark方法对其进行数值求解,模拟出转子升速过程中汽流激振现象的典型特征和发生汽流激振的失稳转速,并且得到系统参数对转子不平衡响应和稳定性的影响规律.结果表明:适当的增大转子的阻尼、密封的半径间隙和密封流体轴向流速可提高转子发生汽流激振的失稳转速,这为在设计和运行中提高实际大型汽轮机转子-密封-轴承系统的稳定性提供了参考依据.     

含转轴裂纹的离心叶轮转子非线性动力学特性研究

建立了带有裂纹故障的的不平衡离心叶轮转子在非线性横向流体激振力和非线性轴承油膜力作用下的横向振动力学模型,并推导了系统的无量纲运动微分方程。运用数值积分法对系统的分岔特性进行了仿真。最后分析了横向流体激振力以及裂纹深度对离心叶轮系统动力学性能的影响。     

非线性汽流激振力对超超临界汽轮机转子运动特性的影响

汽流激振力严重影响超超临界汽轮机的安全稳定运行,为此建立某1 000 MW汽轮机高压缸1.5级的三维全周模型,通过数值模拟得到不同负荷下的非线性汽流激振力,将汽流激振力耦合到转子-轴承-密封系统中,利用Runge-Kutta法求解微分方程组,对转子非线性运动特性进行分析。结果表明:随着转速升高,转子运动幅度变小,额定转速下转子处于一周期运动。随着负荷增加,系统由带混沌倾向的周期性运动向周期性的混沌运动过渡,此后进入复杂紊乱的混沌运动。非线性汽流激振力以分频的形式影响转子运动。低负荷时,振动频率以1/2工频为主,随着负荷升高,振动以工频为主,期间还出现1/3、2/3工频振动。受非线性汽流激振力的影响,转子系统处于混沌运动,最大Lyapunov指数大于零,系统可能失稳。     

非线性动态特性系数对汽轮机转子-轴承-密封系统运动特性的影响

为准确地反应汽流激振下汽轮机转子-轴承-密封系统的运动特性,推导了包含非线性动态特性(非线性刚度、阻尼)的转子运动微分方程,将数值模拟获得的非线性汽流激振力拟合成方程耦合到运动方程中,采用龙格-库塔法求解对应的运动方程,基于试验对比验证了考察非线性因素的必要性与运动微分方程的准确性。在此基础上,分析汽流激振力作用下不同非线性动态特性系数对转子运动特性与稳定性的影响。结果表明：系统中的非线性动态特性会改变转子不同类型的混沌运动区域与位移,使1/2、1/3、2/3工频的出现范围及幅值改变,密频现象增加;耦合热、动载荷后高负荷区域转子位移减小。对比Lyapunov指数,考虑非线性动态特性后其均值有所上升;合理的非线性刚度能够改善系统的稳定性,高非线性阻尼值能提高系统稳定性;耦合热、动载荷后的系统高负荷运行时更稳定。     

气流激振对球轴承涡轮增压器转子动力学特性的影响

车用球轴承涡轮增压器气流激振力包括密封流体激振力和叶顶间隙气流激振力。针对某型号车用球轴承涡轮增压器,分别应用Black模型和Alford模型,计算得到密封流体激振力和叶顶间隙气流激振力。将计算结果代入模型进行仿真计算,得到密封流体激振力和叶顶间隙气流激振力对增压器转子系统临界转速、稳定性、不平衡响应的影响规律。分别与临界转速实验结果、与未添加叶顶间隙气流激振力模型计算结果、未添加密封流体激振力和叶顶间隙气流激振力的计算结果进行对比分析,结果表明:密封流体激振力增加系统阻尼,降低球轴承涡轮增压器转子系统的振幅,提升系统的稳定性;气流激振增加系统交叉刚度,降低系统稳态响应振幅。     

转子—密封系统非线性动力学特性分析

在超临界汽轮机和超超临界汽轮机中,气流激振力对系统影响显著。因此,本文研究了气流激振力对转子－密封系统动力学特性的影响,采用Muszynska密封模型建立转子－密封系统非线性动力学方程,利用Floquet理论研究系统周期解稳定性,根据系统的周期响应、频谱图、Poincaré映射图、分岔图,分析了系统在特定转速及特定转子系统参数下的非线性动力学特性。     

横向流体激振力作用下的不平衡离心叶轮转子分岔特性研究

将叶轮转子系统简化为Jeffcott转子，建立了不平衡离心叶轮转子在非线性横向流体激振力和非线线轴承油膜力作用下的振动模型，并推导了系统的无量纲运动方程。运用数值积分法研究了系统的分岔特性。最后分析了横向流体激振力以及叶轮不平质量对离心叶轮系统动力学性能的影响。     

冲击激励下含限位器的气囊-船用旋转机械系统的动力学特性分析

主要研究了冲击激励下含限位器的气囊-旋转机械系统的动力学特性。首先,考虑了轴承的非线性油膜力和转子的不平衡力等因素,建立了在冲击激励下气囊-旋转机械系统的非线性动力学模型;然后,采用数值模拟的方法分析了冲击激励下,限位器对气囊-旋转机械系统动力学特性的影响,讨论了在限位器不同刚度比、安装间隙、阻尼比等参数下气囊-旋转机械系统的动力学响应。结果表明:限位器的刚度和安装间隙对冲击激励下系统的最大相对位移和绝对加速度有较大影响,而阻尼对其影响会随着刚度比的增大而减小。     

转子-轴承-密封系统非线性动力学特性研究

采用数值方法研究转速对转子-轴承-密封系统非线性动力学特性的影响,采用Muszynska非线性密封力模型和Capone圆轴承油膜力模型,建立超超临界汽轮发电机组高压端转子-轴承-密封系统的非线性动力模型。通过数值方法,研究转速对转子-轴承-密封动力学特性的影响,计算不同转速下的转子时间历程图、轴心轨迹图、Poincare图和频谱图,揭示了转速变化对转子非线性振动的影响规律。     

混合轴承多跨转子多频轴承传递力自适应控制

介绍了一种基于电磁执行器动力特性可控的混合轴承结构;用有限元法建立了多跨转子系统的动力学模型,分析了转子通过轴承给基础的传递力及传递力控制的原理;基于自适应最小均方算法,提出了一种基于误差信号子带滤波,由多个单频力控制器并联而成的变步长自适应轴承传递力控制器;以双轴多跨转子系统为例对轴承传递力主动控制器的有效性进行了理...     

电磁轴承振动传递特性研究

通过有限元方法建立转子的仿真模型,结合电磁轴承动态模型获得整个电磁轴承支承转子闭环系统状态方程。基于该状态空间模型,计算转子受外扰力作用时轴承处力传递率频域响应、在外冲击力作用下位移响应及动态力响应,以此考察电磁轴承的振动传递特性,并与滚珠轴承进行对比。计算结果表明,电磁轴承的刚度阻尼等支承特性与滚珠轴承显著不同,其力的传递率频域响应较平缓,无滚珠轴承支承时某些频率附近的突出峰值。在冲击力作用下电磁轴承支承时,转子位移及动态轴承力振动均能较快恢复稳定状态,振动传递明显减小。     

考虑定子支撑弹性的碰摩转子系统非线性特性研究

旋转机械的转子与定子间的碰摩是常见故障之一,本文分析了油膜支撑的单转子系统与弹性外壳性碰摩时的非线性动力学行为。通过对所建数学模型进行数值解,得到了系统的周期分岔图、三维频谱图和转速一振幅图,显示了该类系统所固有的动力学特性,所得出的结论为旋转机械的故障诊断提供了一定的理论基础。     

Nonlinear dynamic behavior and bifurcation analysis of a rigid rotor supported by a relatively short externally pressurized porous gas journal bearing system

Summary A numerical analysis of a rigid rotor supported by relatively short externally pressurized porous gas journal bearings is presented for nonlinear dynamic behavior and bifurcation. The compressible Reynolds' equation is solved by the finite differences method, and the successive over relaxation method and a time-dependent mathematical model for porous gas journal bearings are studied. A comparison of the results for the system state trajectory, Poincaré maps, power spectra, and bifurcation diagrams is made, and the dynamic behavior of the rotor center in the horizontal and vertical directions under different operating conditions is analyzed. The analysis shows the existence of a complex dynamic behavior comprising periodic and quasi-periodic response of the rotor center. This paper shows how the dynamic behavior of this type of system varies with changes in rotor mass and bearing number.     

高速主轴动力学建模及速度效应分析

考虑高速旋转部件的离心力和陀螺力矩效应,利用Timoshenko梁单元和转盘单元建立主轴转子、转盘、主轴箱等部件有限元模型,并对Jones轴承模型进行扩展建立高速滚动轴承非线性模型。将各子部件模型进行集成,得到整个高速主轴系统的非线性动力学方程,并进行试验验证。分别从转子陀螺力矩、转子离心力和轴承软化这三个角度,系统地研究高速旋转状态下主轴-轴承系统内部的速度效应及其对整个系统动态特性的影响规律。结果表明:当系统存在较大的阻尼比(1%~5%)时,陀螺力矩对系统的直接频率响应函数影响不明显,但是对交叉传递函数的影响显著;随着主轴转速的升高,主轴转子的离心力效应会逐渐削弱主轴系统的刚度,最终使整个高速主轴系统的固有频率降低;必须综合考虑主轴转子的离心力效应和轴承的软化效应,才能比较准确地仿真高速主轴系统的动力学特性。     

Dynamic analysis of hydrodynamic bearing–rotor system based on neural network

Feed-forward neural network is employed to model the nonlinear oil-film force database of a finite-length hydrodynamic journal bearing, which is constructed by continuous transformation of Reynolds equation. Neural network models trained are utilized to investigate motion characteristics of a rigid unbalanced rotor supported on elliptical bearings in 300 MW steam turbine generator set. There exist various forms of periodic, quasi-periodic and chaotic motions at different rotating speeds. Periodic doubling bifurcation and quasi-periodic routes to chaos may be found when rotating speed is used as the control parameter. Computational results show that there exist similar motion behaviors between neural networks and numerical method. It is available for neural network models of oil-film forces to research nonlinear dynamic problems of rotating machinery.     

低频大摆幅基础运动对滑动轴承-转子系统动力学特性的影响

考虑了低频大摆幅基础运动及转子在轴瓦内倾斜而产生的非线性油膜力矩等因素,基于拉格朗日方程建立了滑动轴承-转子系统的动力学模型。采用数值方法研究了基础运动对该系统非线性动力学特性的影响。结果表明:转子系统第一次失稳后其动力学分岔特性出现复杂的上下两支拟周期运动,并且第二次出现失稳的转速有所提高;在转子转速较高时,转子的振幅急剧增大,且在拟周期阶段就已经碰触轴瓦内壁而未能过渡到混沌状态。最后讨论了基础运动的摆动频率和幅值变化对系统动力学特性的影响。上述结论有助于认识低频大摆幅基础运动下滑动轴承-转子系统的运动规律。