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《东北大学》 2015年
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转子—叶片—机匣系统叶尖碰摩动力学特性研究

吴志渊  
【摘要】:旋转机械转子叶尖与机匣内壁之间的距离称为叶尖间隙,是影响旋转机械性能的重要参数之一,为了减少其内部的介质泄露以及提高旋转机械的工作效率,就要使转子叶尖径向间隙尽可能小,这样容易使叶尖与机匣内壁发生碰摩。旋转机械的转静件碰摩故障是一个高度非线性的动力学现象,因此研究碰摩对局部或者整体的损伤以及动力学特性的影响都具有十分重要的意义。本文主要以转子-叶片-机匣系统为研究对象,建立相应的数学模型,通过数值仿真及模型试验,研究了叶尖与机匣碰摩导致的复杂非线性动力学特性。论文的主要研究内容包括:(1)以转子-叶片耦合系统为研究对象,获得系统的动能和势能,并结合假设模态法及Hamilton变分原理推导出系统的运动微分方程。模型中采用Timoshenko梁来模拟叶片,并考虑了叶片的离心刚化、旋转软化、科氏力等旋转效应;将圆盘假设为刚性圆盘,采用集中质量模型来模拟圆盘;采用有限元模型模拟转轴,每个单元节点有6个自由度。(2)从转子-叶片系统静止状态下固有特性、旋转状态下固有特性和振动响应等方面出发,与现有的转子-叶片系统试验台模态测试结果、有限元模型结果以及现有文献结果对比,验证本文模型的有效性,并讨论了叶片数和叶片安装角对固有特性的影响。研究结果表明:随着转速的增加,系统会出现频率转向和振型转换的现象;在转子-叶片耦合系统中,叶片弯曲相关的耦合模态阶数与叶片个数相同;随着叶片安装角的变化,叶片与转子的耦合模态也会发生变化。(3)考虑机匣与转子-叶片不同心,研究机匣偏置引起的局部碰摩下单叶片和多叶片的碰摩响应。具体从碰摩力模型、转速、机匣质量、机匣刚度、叶片数等参数对碰摩响应的影响做了分析和讨论。研究结果表明:单叶片碰摩时,系统响应的频率成分为转频和倍频,且在接近系统固有频率处有幅值放大现象;多叶片碰摩时,在叶片通过频率及其倍数频处也出现了幅值放大现象。(4)搭建转子-叶片-机匣碰摩试验台,通过模型试验结合仿真分析,研究了碰摩时系统的动力学特性。研究表明:转轴水平方向位移的频谱中,由于转子-叶片的耦合作用,碰摩时在接近叶片固有频率的倍频处也出现幅值放大现象。此外,从试验获得的机匣水平方向加速度频谱图中也可以发现,当倍频靠近机匣和机匣-转子耦合系统的固有频率时,也存在较大的幅值。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:V231.96

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