橫向流體激振力作用下故障葉輪轉子系統(tǒng)非線性動力學行為研究.pdf

1、本文的研究是甘肅省自然科學基金項目“葉輪內部流場流固耦合機理及轉子動力學特性研究”(ZS031-B25-009-G)的主要內容。
　　葉輪機械作為應用最為廣泛的一類旋轉機械,其轉子系統(tǒng)常常發(fā)生各種諸如質量偏心、轉軸裂紋、基礎松動、轉靜子碰摩等不同形式的故障而影響正常工作。當葉輪轉子渦動時作用在葉輪上的橫向流體激振力會對葉輪轉子的非線性動力學行為產生較大影響。因此,深入開展故障葉輪轉子在橫向流體激振力作用下的非線性動力學行為的研究具

2、有較高的理論價值和實際意義。
　　本文在研究了國內外關于故障葉輪轉子各種動力學模型的基礎上,綜合考慮了作用在葉輪上的橫向流體激振力,建立了全新的故障葉輪轉子非線性動力學模型,對橫向流體激振力與各種故障綜合作用下的葉輪轉子的非線性動力學行為進行了深入研究。全文主要的研究內容和結論為:
　　(1)建立了不平衡剛性葉輪轉子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的動力學模型并推導了系統(tǒng)的無量綱運動方程。利用數值積分方法對方程進行了

3、求解,并進一步做出了系統(tǒng)隨轉速變化的分岔圖以及龐加萊映射圖、相圖。結果表明:在轉子正向渦動時,橫向流體激振力可以使該類葉輪轉子的非線性動力學特性復雜化,并使系統(tǒng)發(fā)生復雜運動的區(qū)域擴大;質量偏心是使葉輪轉子運動復雜化的另外一個重要原因。
　　(2)建立了裂紋葉輪轉子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的振動模型并推導了系統(tǒng)的無量綱運動方程。利用數值積分方法對方程進行了求解,并進一步做出了系統(tǒng)隨轉速變化的分岔圖以及龐加萊映射圖、相

4、圖。結果表明:轉子正向渦動時,橫向流體激振力可以該類使葉輪轉子的運動行為更加復雜;裂紋深度越大對系統(tǒng)的分岔特性影響就越劇烈,但相比較而言,橫向流體激振力對系統(tǒng)分岔特性的影響更為明顯。
　　(3)把葉輪轉子簡化為中間帶有剛性圓盤的柔性軸轉子的基礎上建立了帶有基礎松動故障的葉輪轉子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的振動模型并推導了系統(tǒng)的無量綱運動方程。利用數值積分方法對方程進行了求解,并進一步做出了系統(tǒng)隨轉速變化的分岔圖以及龐

5、加萊映射圖、相圖。結果表明:轉子正向渦動時,橫向流體激振力是促使帶有基礎松動故障的葉輪轉子系統(tǒng)的運動呈現(xiàn)復雜化趨勢的一個重要因素;松動端軸承支座質量的變化,可以使得系統(tǒng)的分岔形式和分岔點都發(fā)生較大變化,而且松動端支座質量越大,系統(tǒng)周期運動與復雜運動就轉換得越頻繁,在分岔圖中就表現(xiàn)為復雜運動期間內間隔的周期窗口數增多;分岔圖的收尾階段也呈現(xiàn)復雜化的趨勢。
　　(4)建立了帶有轉靜子碰摩故障的葉輪轉子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力

6、作用下的振動模型并推導了系統(tǒng)的無量綱運動方程。利用數值積分方法對方程進行了求解,并進一步做出了系統(tǒng)隨轉速變化的分岔圖以及龐加萊映射圖、相圖。結果表明:轉子正向渦動時,在轉速較低的情況下(980rad/s以下),橫向流體力對系統(tǒng)的分岔特性并沒有多大影響;但是在980rad/以后的速度區(qū)段內,流體力使系統(tǒng)的分岔特性發(fā)生了深刻變化,分岔圖中間速度區(qū)段內短暫的復雜運動和長時間的周期一運動變?yōu)橹芷谶\動與復雜運動頻繁轉換的不規(guī)則運動;流體力還使得系

7、統(tǒng)發(fā)生在最后速度區(qū)段上的復雜運動的范圍劇烈擴大,并且使得無流體力時發(fā)生在1785rad/s?1820rad/s之間的周期窗口消失;轉子質量偏心的增大可以使該類葉輪轉子的分岔特性復雜化。
　　(5)建立了帶有基礎松動和碰摩耦合故障的葉輪轉子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的振動模型并推導了系統(tǒng)的無量綱運動方程利用數值積分方法對方程進行了求解,并進一步做出了系統(tǒng)隨轉速變化的分岔圖以及龐加萊映射圖、相圖。結果表明:轉子正向渦動時

8、,在低速域內(800rad/s以下),橫向流體力對系統(tǒng)的分岔特性并沒有太大影響,即流體力對系統(tǒng)的分岔特性不起主導作用;但是在800rad/s以后的高速域內,橫向流體激振力對該類故障轉子的分岔特性影響較為深刻;轉子質量偏心的增大可以使得該類葉輪轉子的分岔特性復雜化。
　　(6)建立了帶有基礎松動與轉軸裂紋耦合故障的葉輪轉子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的動力學模型并推導了系統(tǒng)的無量綱運動方程。利用數值積分方法對方程進行了求