两相流挤压油膜阻尼器-转子系统动力学特性理论及实验研究

摘要

透平机械包括各类泵、压缩机、涡轮机等，主要由转轴、盘片和支撑三部分组成，广泛应用于航天、航海、能源等行业和领域。现代透平机械系统的转子通常工作在一阶甚至更高阶临界转速以上，在接近或者通过系统各阶临界转速时，转子会产生很大的振动，支承系统所承受载荷也随之剧增，导致动静碰摩、结构疲劳、系统故障以及破损。 挤压油膜阻尼器（Squeeze film damper, SFD）因其结构简单、减振效果显著，而应用于转子系统中，用来抑制其过临界转速振动。然而，阻尼器的减振性能受到多种因素的影响，气液两相流就是削弱其减振效果的主要原因之一。当阻尼器的油腔内存在着气液两相流时，其动力学特性会随着激励类型和供油压力的改变而改变。在油腔中引入弹性环可以改善弹性环式挤压油膜阻尼器（ Elastic ring squeeze film damper, ERSFD），然而该阻尼器对转子系统动力学特性影响的研究方法目前只停留在理论研究阶段。研究两相流和弹性环对于挤压油膜阻尼器减振特性及转子动力学特性的影响，具有非常重要的理论与工程意义。本文对两相流挤压油膜阻尼器和弹性环式挤压油膜阻尼器的动力学特性进行理论与实验研究，具体研究内容包括： （1）两相流对阻尼器油膜特性的影响。使用流体体积方法（Volume of fluid method, VOF method）分析挤压油膜阻尼器空气吸入的区域，研究不同偏心率状况下，两相流对挤压油膜阻尼器油膜压力和油膜参数的影响；使用基于Rayleigh-Plesset方程的均相流模型，分析不同参考气体体积分数下，两相流对阻尼器油膜压力及油膜参数的削弱作用；对比两种计算方法的优劣，为转子动力学研究打下基础。 （2）不同范围压力下的挤压油膜阻尼器油膜特性实验研究。在极低供油压力下，分别对阻尼器分别施加周期激励和脉冲激励，得到附加质量、阻尼等阻尼器油膜参数随气体体积分数的变化特点；在正常供油压力下，对阻尼器施加周期激励，分析油膜参数并与低供油压力实验结果进行比较；在实验过程中拍摄视频，图解油膜的空气吸入过程，显示激励幅值对空气吸入的影响，分析两相流对阻尼器响应的影响及低频振动现象。 （3）两相流对挤压油膜阻尼器-转子系统动力学特性的影响。考虑转盘横向振动及摆动，建立挤压油膜阻尼器-单盘转子动力学模型，分析不同气体体积分数下，两相流对转子共振、分岔与混沌的影响。 （4）两相流挤压油膜阻尼器-转子系统的动力学实验研究，验证理论分析结果。以转子系统实际工况为基础，建立挤压油膜阻尼器-转子实验台，在不同的偏心质量及气体体积分数下，进行升速扫频，记录转盘在每个转速下的振动信号；分析了两相流对系统过临界转速响应的影响，与理论建模结果对比；讨论了两相流导致的超谐共振及分岔，以及转子的低频振动现象。 （5）分析了弹性环式挤压油膜阻尼器的减振特性。建立了弹性环式挤压油膜阻尼器-转子动力学模型，结合有限元方法，将转子系统的一个涡动周期平均分成10个时间步；在不同时刻，计算阻尼器内、外油腔的油膜压力，油膜系数以及弹性环与油腔内、外壁的接触情况；讨论了弹性环式挤压油膜阻尼器的减振机理，及弹性环对于调节系统非线性的作用。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 挤压油膜阻尼器的研究现状

1.3 弹性环式挤压油膜阻尼器

1.4 本文关注的科学问题

1.5 本文的主要研究工作

第二章 两相流对挤压油膜阻尼器动力学特性影响

2.1 引言

2.2 经典润滑理论

2.3 两相流对挤压油膜阻尼器减振特性影响

2.4 本章小结

第三章 挤压油膜阻尼器两相流实验

3.1 引言

3.2 实验台介绍

3.3 实验数据分析方法

3.4 极低压力下两相流挤压油膜阻尼器实验

3.5 大供油压力下挤压油膜阻尼器两相流实验

3.6 低频振动

3.7 两相流的可视化

3.8 本章小结

第四章 两相流对转子系统动力学特性的影响

4.1 引言

4.2 理论模型

4.3 数值分析结果

4.4 本章小结

第五章 转子系统两相流实验研究

5.1 引言

5.2 试验台介绍

5.3微小不平衡量情况

5.4 较大不平衡量情况

5.5 本章小结

第六章 弹性环式挤压油膜阻尼器油膜参数特性研究

6.1 引言

6.2 数学模型

6.3 数值求解方法

6.4 数值结果

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢