燃气轮机拉杆转子动力学建模及临界转速计算

重型燃气轮机通常采用拉杆转子结构,此类转子-支撑系统的临界转速的分析计算与整体结构转子不同.以Riccati传递矩阵法为框架,对某燃气轮机中心拉杆转子结构进行分析并离散,考虑轴承支撑以及端面齿啮合对转子动力学特性的影响,建立转子 支撑系统的动力学计算模型.利用该模型对临界转速以及相应的振型进行计算,并通过与试验台实测结果的对比,验证了计算模型和方法的正确性,该方法可应用于类似结构转子动力学特性的分析研究.     

燃气轮机拉杆转子非线性动力学特性研究

针对燃气轮机组合式转子轮盘间存在的非线性刚度对转子动力学特性产生的特殊影响,对比研究了关于拉杆转子三次方和双线性两种非线性刚度模型的动力学特性:首先,基于双圆盘拉杆转子模型,通过三维有限元法计算得到其弯曲刚度随转角的变化规律;然后,采用三次方模型拟合非线性刚度,建立拉杆转子无量纲控制方程,并基于谐波平衡法和Broyden迭代优化算法计算稳态响应,进而分析系统参数对非线性响应的影响规律;最后,基于双线性刚度模型对比研究拉杆转子非线性响应。研究结果表明,两种模型均能模拟转子升降速过程中的幅值突变效应,但两种模型发生振幅突跳现象的原因不同,且在响应不稳定区域附近的动力学特性不同;三次方刚度模型对这种非线性现象的描述更加准确,其数值模拟结果具有更加丰富的非线性动力学行为;为避免突跳现象对转子系统造成的不良影响,通过调整非线性系统的特定参数能够改变幅频响应曲线中不稳定区域的位置,进而有效避免转子系统工作在不稳定的频率范围内。     

拉杆数目和轮盘级数对组合转子性能退化的影响规律

本文主要从几个不同方面对由差异数量下的拉杆数目、以及内部组合部分的轮盘级数所共同组建的转子性能进而对其产生的退化特性以及基于原始数据下的组合转子对同一位置出现不同初始尺寸裂纹、同一尺寸裂纹出现在每一个不同的地方使得拉杆不在各个位置都极其敏感。最后得出一些列有关拉杆数和每一级轮盘数在一定程度下对组合转子随时间变化产生的退化影响分析,还包括由于使用不当或者疲劳应力最终导致拉杆裂也会直接性产生部分影响,本次研究不仅为组合转子的性能退化提供了规律研究同时也对一定理论参考价值具备相应的指导意义。     

异形孔腔结构对液体孔型密封泄漏特性及转子耗功的影响

为降低透平机械中动静间隙泄漏量,提高机组运行效率与转子系统稳定性,以孔型密封为基本模型,提出了一种球凹孔腔、两种周向倾斜孔腔(倾斜角为±30°)和两种轴向倾斜孔腔(倾斜角为±20°)的密封结构。采用基于三维定常RANS方程的数值计算方法,研究了异形孔腔对液体孔型密封泄漏特性和转子耗功的影响,计算分析了不同转速(0～6 000 r/min)下,典型孔型密封和5种异形孔密封结构的泄漏量、孔腔流场、湍动能耗散率分布和转子面拖拽力矩。结果表明:球凹孔腔在转速0～4 000 r/min的范围内能显著降低密封泄漏量;周向倾斜孔腔能显著降低间隙内周向旋流,倾斜角为30°的周向斜孔密封具有更低的泄漏量;轴向倾斜孔腔能略微降低转子耗功,倾斜角为20°的轴向倾斜孔腔能降低泄漏量,而倾斜角为-20°的轴向倾斜孔腔导致泄漏量增加。     

考虑结合面影响的拉杆组合转子动力学特性分析

拉杆组合转子系统不同于整体式转子系统,其轮盘结合面接触刚度的影响是不可忽略的。为了研究拉杆组合转子轮盘结合面之间的接触对系统动力学特性的影响,建立了考虑轮盘接触刚度的拉杆组合转子系统的简化模型,基于Timoshenko梁理论建立了拉杆组合转子系统运动方程,并采用四阶Runge-Kutta法对系统进行求解。结果表明:不同于整体式转子系统,拉杆组合转子因结合面之间存在接触而导致系统整体刚度有所降低,使得系统固有频率降低;当考虑轮盘接触时,会使得系统共振区域的幅值变小,同时降低了共振频率,但对非共振区域影响较小;当轮盘结合面接触刚度达到一定值后,拉杆组合转子系统的轮盘连接部位可视为一个整体。     

燃气轮机拉杆式转子的刚度模化和模型修正方法

为了提高燃气轮机拉杆式转子的动力分析中梁单元模型的计算精度,引入弹簧连接单元对变截面轴段和接触界面刚度削弱进行了模化且保留了模型的物理意义,弹簧连接单元的刚度和拉杆式转子的物理参数通过模型修正方法获得。对一个简化的拉杆式实验转子进行了模化和模型修正,结果是所提方法获得的特征频率和实验结果非常吻合,表明拉杆式转子梁单元模型具有较高的计算效率和计算精度,可应用于转子的不平衡响应、瞬态响应分析和基于模型的故障诊断分析。     

扇级凸肩叶片流固耦合振动响应分析

在ANSYS Workbench中,联合Transient Structural和CFX模块对航空发动机扇级叶片进行双向流固耦合振动行为研究。分析叶片转速和凸肩结构对叶片模态频率、模态振型以及气弹稳定性的影响。结果表明,转速增加对叶片的预应力模态频率提高显著,但对模态振型的改变微乎其微。施加凸肩结构不仅能提高模态频率,而且对模态振型改变较大,明显地减小了振动位移。在叶片上,合理的凸肩安装位置不仅能提高叶片气弹稳定性和运行的平稳性,而且能降低高周疲劳破坏的几率。     

偏心拉杆极值应力的电测法研究

基于组合变形理论推导了偏心拉杆危险点的拉、压应力计算公式;利用静态电阻应变仪及材料力学多功能台,采用半桥单臂惠斯通电桥测得了杆件材料的杨氏弹性模量及偏心拉杆的危险点应力;采用半桥双臂及全桥对臂法分别测得了轴向力及弯矩单独作用下的拉应变,并由胡克定律得到了偏心拉伸截面上的最大拉应力及压应力.研究表明,通过电测法所得危险点应力与理论值非常吻合,研究结果证实了方法的可行性.     

两级刷式密封泄漏特性的实验与数值研究

基于刷式密封的泄漏量实验测试平台和Non-Dareian多孔介质方法的泄漏流动数值模型,详细研究了密封间隙、压比和转速对两级刷式密封泄漏流动特性的影响规律,分析了两级刷式密封的泄漏流动形态以及刷丝束表面的压力分布规律.结果表明:在相同的间隙和转速下,两级刷式密封的泄漏量随着压比的增加而增大;在相同的转速和压比下,两级刷式密封的泄漏量随着间隙的增加而增大;在相同的压比和间隙下,两级刷式密封的泄漏量随着转速的增加而减小.转子高速旋转时产生的离心伸长效应使密封间隙减小,因此数值计算时考虑转子的离心伸长效应对密封间隙的影响可以更加准确地预测两级刷式密封的泄漏量.     

含拉杆裂纹的组合转子性能退化机理

考虑含拉杆裂纹的组合转子接触界面并对其进行动力学分析,得到组合转子弯曲固有频率随时间变化规律;通过定义退化量参数,描述裂纹转子的退化轨迹,实现其性能退化的定量评估;针对不同退化程度的组合转子进行不平衡响应分析,得到组合转子的退化特征,同时对理论分析进行一定的实验验证。研究结果表明:在稳定退化阶段,组合转子的性能退化极为缓慢,退化达到一定程度时有明显通向故障的转捩点;且不同数目的拉杆、轮盘级数以及裂纹出现在拉杆不同位置时对组合转子退化速率有较大的影响。研究结论为组合转子结构设计及确定转子拉杆裂纹损伤位置等提供理论参考依据。     

导热管与电机转子过盈联接有限元分析及优化

将导热管安装于电机转子中对转子进行散热,可提高电机的输出效率,而导热管与转子内孔的紧密接触是导热散热的关键因素.通过建立导热管与转子过盈联接的有限元模型,分析过盈量、摩擦因数以及配合长度对导热管与电机转子过盈联接静态和动态性能的影响.结果表明,过盈量和配合长度对结构的静态和动态力学性能影响较大.在有限元分析的基础上,对导热管与电机转子过盈联接最大法向接触应力进行多目标优化,得出导热管与转子最大法向接触应力最小的接触状态,以提高导热管与转子配合的可靠性以及转子轴的寿命.     

孔型参数对流体孔型密封泄漏特性和转子耗功的影响

为评估孔型密封在液体透平机械动静间隙的封严效果,明确液体工质下孔型密封设计中关键几何参数孔深、孔径选取准则,采用基于动网格技术的网格自动生成方法和基于三维定常雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程的孔型密封泄漏流动数值计算方法,研究了液体工质下孔型几何参数孔深、孔径对孔型密封泄漏特性和转子耗功的影响规律。计算分析了2种转速(2 000,6 000r/min)、5种孔径(3,6,9,12,16mm)下孔深在0.5～15mm范围连续变化时,液体孔型密封的泄漏量、转子耗功以及孔腔流场结构,并与实验结果进行了对比。结果表明:所采用的数值方法能够准确预测液体孔型密封泄漏量;液体孔型密封泄漏量随转速增大而线性减小;深径比(孔深与孔径之比)对孔腔内涡系结构具有显著影响,是影响液体孔型密封泄漏量的关键参数;随孔深径比增加,液体孔型密封泄漏量先减小后增大;存在最佳孔深径比范围0.5～0.6,此时液体孔型密封泄漏量最小;不同孔径下,液体孔型密封转子耗功随孔深径比的增加而急剧减小。     

离心力影响下的高速主轴-拉杆系统动态特性

为进一步明确离心力对主轴系统动态特性的影响,以高速主轴-拉杆系统为对象,建立了刀柄的接触力学模型,考虑了碟簧在离心力作用下产生的径向伸展,并计算了该变形导致的拉力随主轴转速的变化关系。在此基础上,讨论了刀柄接触应力随初始拉力、动态夹紧力的变化规律,揭示了上述变化对主轴系统自然频率的影响。结果表明:碟簧的径向伸展会造成刀杆拉力的减小,但减小的程度受碟簧规格和初始拉力的影响,对于拉紧力较小的超高速主轴,该影响较为显著,而对于拉紧力较大的普通主轴,该影响可以忽略;静、动态夹紧力的夹紧效率随摩擦因数的增大而降低;动态夹紧力可显著提升接触应力,但过高的夹紧力反而会加大接触间隙,降低结合部阻尼,导致主轴系统自然频率的减小。     

复合分子泵牵引级螺旋槽深对压缩比的影响

建立了描述复合分子泵牵引级抽气性能的理论模型.依据该理论模型,在牵引级不同螺旋升角、转子-定子间隙、转子转速、被抽气体流动状态条件下,对牵引级螺旋槽深与压缩比的关系进行了研究.结果表明:压缩比随螺旋槽深的减小,先增加后减小,存在最优螺旋槽深,使牵引级的压缩比达到最大;螺旋升角对最优螺旋槽深影响较小;最优螺旋槽深随转子-定子间隙减小而减小,随转子转速的增加而增加;当被抽气体为黏滞流时,最优槽深值更小.     

燃料电池车用超高速空压机永磁体结构强度研究

针对大功率燃料电池系统高速空压机转子永磁体离心拉应力破坏,采用解析法计算了额定转速时护套与永磁体间过盈量的大小及应力,采用有限元方法建立二维轴对称模型,计算了永磁体和护套内的应力分布,对比解析法与有限元方法的准确性.基于有限元法研究了温升和护套材料对永磁体应力的影响,结果表明,解析法和有限元法计算的各应力的相对误差不超过2.5％,而影响因素中转速和温升均会造成永磁体应力的显著提升,需要增大过盈量对转子永磁体保护.碳纤维护套相比合金护套可以至少降低42.1％的永磁体应力,且在高温工况下的效果更为显著.降低转速、增大装配过盈量以及改善转子冷却均能有效优化结构强度,而复合材料护套相比钢护套更适用于保护永磁体.     

燃气轮机用弹支多孔油膜阻尼器调频减振的研究

为了调整某轻型单轴式燃气轮机转子支承系统临界转速和控制振动,理论计算和实验分析了该燃气轮机转子支承系统动力特性.结合该燃气轮机的具体结构,设计了弹性支承和多孔质挤压油膜阻尼器(PSFD),调整其临界转速和控制振动.将弹性支承和PSFD安装在该燃气轮机上进行开车实验的结果表明,理论计算与实验结果吻合得很好,临界转速调整到了预期值,阻尼器的减振效果突出.弹性支承和PSFD在实际燃气轮机上获得了成功应用.     

轴向磁通电励磁发电机绕组排布方式电磁特性分析

针对传统发电机转子质量大、转动惯量大的问题,提出了一种应用于汽车废气涡轮增压器低转动惯量的轴向磁通电励磁双定子双凸极发电机。该发电机转子夹在两对称定子中间,结构简单,稳定性高,适合高温高速的运行环境。根据该发电机的电感特性,推导了不同相数与不同励磁跨距下定转子的极数约束公式,运用有限元软件对两种绕组排布方式进行空载与负载仿真,经分析得出结论：励磁跨距2的绕组排布方式负载与空载的电动势谐波相较于励磁跨距1分别下降了5.07%和5.17%,输出电压脉动率降低了16.43%,较大地改善了轴向磁通电励磁双凸极发电机的发电质量。     

基于SolidWorks的CRH380B动车组牵引拉杆有限元分析

在现代轨道车辆,尤其是高速动车组中,牵引拉杆起着传递列车运行所需纵向力的重要作用。列车速度越来越高,就意味着要对牵引拉杆提出更加严格的要求。以静力学有限元分析为依据,运用SolidWorks软件建立了CRH380B高速动车组牵引拉杆的三维模型,针对列车启动加速时所受的纵向力对牵引拉杆进行了有限元分析,分析结果表明,当列车以规定允许的最大加速度启动加速时,牵引拉杆受到的最大的力小于材料的许用应力,并找出了所受应力和位移最大的部分。     

车用燃料电池空压机高速高温转子结构强度分析

针对燃料电池空压机转子设计中存在结构强度和温升破坏风险，通过有限元建模仿真方法，剖析了护套与永磁体间过盈量、护套厚度以及转轴空心孔内径等关键参数对转子受力的影响。结果表明，增加过盈量和护套厚度有利于提升转子强度；同时增大护套厚度并减小空心孔半径有利于转子最高许用工作温度提升；护套和永磁体的应力极值主要受最高温度的影响。     

三转子涡扇发动机低压转子临界转速估算

本文针对三转子涡扇发动机低压转子进行临界转速计算分析。三转子涡扇发动机低压转子跨距大,支点数目多,工作区间包含临界转速。在利用传递矩阵法进行临界转速估算过程中,分别计算了不同模型,不同支承刚度下转子临界转速。通过对比计算结果差异,得出了转子系统结构模型简化方式及支承刚性对转子临界转速的影响关系。