【摘 要】
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航空发动机、重型燃气轮机、压缩机等叶轮机械是我国国防力量和工业生产的核心设备。在运行过程中,这些叶轮机械的转子系统将不可避免地受到基础激励、不平衡激励等激励的作用,导致转子出现不同程度的振动问题。而传统鼠笼式挤压油膜阻尼器(Squeeze Film Damper,SFD)中存在高度的非线性油膜力,可能会使转子系统出现双稳态响应、锁死及非协调进动等非线性振动问题。为解决传统鼠笼式SFD的非线性问题,
【基金项目】
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国家科技重大专项“燃气轮机转子系统的结构动力学与振动控制研究”(2017-Ⅳ-0010-0047);
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航空发动机、重型燃气轮机、压缩机等叶轮机械是我国国防力量和工业生产的核心设备。在运行过程中,这些叶轮机械的转子系统将不可避免地受到基础激励、不平衡激励等激励的作用,导致转子出现不同程度的振动问题。而传统鼠笼式挤压油膜阻尼器(Squeeze Film Damper,SFD)中存在高度的非线性油膜力,可能会使转子系统出现双稳态响应、锁死及非协调进动等非线性振动问题。为解决传统鼠笼式SFD的非线性问题,急需开发一种高性能、易于工程应用的转子系统减振技术,改善叶轮机械转子系统的振动问题,对提高国防实力和加快经济发展具有重要的意义。本文针对转子系统中由不平衡激励和基础激励导致的振动问题,提出了一种基于整体式挤压油膜阻尼器(Integral Squeeze Film Damper,ISFD)的转子系统减振技术。通过数值分析与实验研究,分析ISFD的动力学特性,开展基于ISFD的转子系统减振研究。本论文的主要研究内容如下:1、为了揭示ISFD的减振机理,探明ISFD的动力学特性,提出了一种ISFD动力学系数识别方法,开展了ISFD动力学系数的数值分析与实验验证。揭示了不同结构参数对ISFD刚度的影响规律,确定了ISFD的设计参数。运用Workbench和n Code Design Life软件进行了ISFD的力学性能分析,得到了ISFD的刚度系数与使用寿命,确保ISFD的结构设计合理。运用Fluent软件进行了CFD分析,计算得到ISFD的油膜力和阻尼系数。搭建了ISFD动力学系数识别实验台,测得ISFD的刚度系数和阻尼系数,对比可知数值分析值的误差约为10%,同时实验结果表明ISFD具有良好的线性阻尼特性。2、针对基础激励作用下的转子系统,提出了一种基于ISFD的振动控制方法。建立了基础激励作用下转子系统的动力学模型和实验台,探究了ISFD对转子系统动力学特性的影响。在一系列不同激振力频率和激振力幅值的基础激励工况下,开展了ISFD抑制转子系统振动的实验研究,结果表明ISFD具有稳定的减振性能,能够有效地抑制多种基础激励工况下转子系统的振动,其中由基础激励引起的振动最高降低了38.50%。3、将自主设计的ISFD结构应用到单盘对称转子系统中,通过实验研究发现,ISFD能够有效地降低多种不平衡量和转速工况下转子系统的不平衡振动,振动幅值降低了40%左右。将ISFD应用到四盘对称转子系统中,开展不同不平衡量、不同转速工况下转子系统的减振研究,研究表明安装ISFD后转子的不平衡振动降低了30%左右。可知,ISFD可以有效地降低多种工况下不同结构转子系统的不平衡振动。4、将ISFD应用到单盘悬臂转子系统中,通过仿真分析可知,ISFD能够为转子系统提供弹性阻尼支承,降低转子系统的弯曲应力、应变能。在一系列不同不平衡量和转速工况下开展了单盘悬臂转子系统的减振研究,实验结果表明安装ISFD后转子的不平衡振动降低了60%以上。另外研究发现,适当地增大供油压力可以提高ISFD的减振性能。可知,ISFD具有优良的减振性能,可以显著地降低多种工况下单盘悬臂转子系统的不平衡振动。5、开发了一种结构新颖的G型整体式挤压油膜阻尼器(G-type Integral Squeeze Film Damper,GISFD),GISFD具有更好的阻尼特性,为叶轮机械提供一种新的减振方案。建立了GISFD的有限元模型并进行了仿真分析,得到GISFD的刚度系数。随后将GISFD应用到转子系统中,通过仿真分析与实验研究可知,与ISFD相比GISFD能够更有效地降低转子系统的应变能和轴承动载荷,可以更有效地抑制转子系统的不平衡振动,使转子系统更加安全平稳地通过临界转速。探究了阻尼液的粘度和不平衡激励对GISFD减振性能的影响规律,实验结果表明:采用运动粘度系数较大的阻尼液可以提高GISFD的减振性能,并且GISFD具有出色的线性阻尼特性,可以有效地降低转子系统对不平衡量的敏感性,提高转子系统的稳定性。综上,本文开展了ISFD在多种工况下多种结构形式转子系统中的减振应用研究,发现ISFD具有优良的减振性能,为抑制转子系统的振动提供了新思路、新方法。研究成果为实现叶轮机械的低振动、高稳定性和长寿命设计起到了一定的参考作用,具有重要的工程应用价值。
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