气流激振力作用下转子系统稳定性分析

【摘要】： 微型发动机转子转速高,自身结构轻,发动机叶轮上的相对气动负荷大,叶轮偏心引起的气流激振力的影响相对较大;同时,对于转子的工作转速约为40万转/分左右微型发动机,氮化硅微型陶瓷滚珠轴承已经远远无法满足使用要求,为简化结构,需要采用气体轴承来支承。所以有必要分别对叶轮偏心气流激振、气体轴承气膜力及气体轴承气膜力与气流激振力相互耦合作用对转子系统的影响进行相应的研究。本文针对上述三种情况,开展了如下的研究工作: 第一,建立Alford力作用下转子运动稳定性模型,利用有限元方法分别建立了单盘(压气机)转子系统和压气机与涡轮同轴的双盘转子系统的振动微分方程。利用Runge-Kutta法数值仿真得到系统的振动响应,对系统的稳定性进行了分析。研究结果表明不平衡量、转速、支承刚度、阻尼、转轴跨度、圆盘位置及静偏心对气流激振力作用下的单盘(压气机)转子系统的稳定性有较大的影响;压气机和涡轮共同处于同一转子上的系统,在气流激振力的作用下系统运动较为复杂,通过一定措施调整两盘上的气流激振力的大小,有可能保持系统的稳定运行。 第二,采用有限差分法求解可压缩流体的雷诺方程,通过算例验证了求解方法和程序的正确性。通过求解瞬态雷诺方程,得到任意时刻的气膜力;建立了气体轴承—转子系统的力学模型,利用Runge-Kutta法进行耦合求解。通过时间波形图、轴心轨迹图、频谱图、庞加莱图和分岔图,利用非线性动力学理论,研究了普通圆柱径向动压气体轴承支承下的转子系统的非线性特性。研究结果表明:转速和不平衡量对气体轴承支承下的转子系统的非线性特性有较大的影响,在不同的条件下,会出现周期、拟周期和混沌多种运动状态。 第三,对气流激振力和气体轴承力二者耦合作用下的转子系统的非线性分岔特性做了初步分析,主要研究了Alford力的大小对系统响应分岔特性的影响,结果表明较大的气流激振刚度会导致系统进入混沌运动状态,并可能导致系统运动失稳。