Research on 1:2 subharmonic resonance and bifurcation of nonlinear rotor-seal system

The 1：2 subharmonic resonance of the labyrinth seals-rotor system is inves- tigated, where the low-frequency vibration of steam turbines can be caused by the gas exciting force. The empirical parameters of gas exciting force of the Muszynska model are obtained by using the results of computational fluid dynamics （CFD）. Based on the multiple scale method, the 1：2 subharmonic resonance response of the dynamic system is gained by truncating the system with three orders. The transition sets and the local bifurcations diagrams of the dynamics system are presented by employing the singular theory analysis. Meanwhile, the existence conditions of subharmonic resonance non-zero solutions of the dynamic system are obtained, which provides a new theoretical basis in recognizing and protecting the rotor from the subharmonic resonant failure in the turbine machinery.

流体机械转子系统非线性振动机理研究

为解决现有转子的线性振动模型难以精确描述转子非线性振动的问题,建立了基于Muszynska非线性密封力模型的转子-密封-轴承系统的非线性运动模型。运用四阶龙格-库塔法求解了转子系统的非线性运动方程,分别分析了在3000,8500,12000,15000 r/min转速下转子的轴心轨迹图;还求解了转速、转子结构和轴承尺寸等参数下的振动分岔图。基于建立的非线性振动模型,搭建了转子-密封-轴承系统试验台,探究了压强对转子轴心轨迹振动的影响,最终从模拟和试验2个方面探究了转子的振动规律,为进一步的优化提供基础。结果表明,在转子转速由3000 r/min增大到12000 r/min的过程中,轴心轨迹图由无量纲半径为0.4的圆形逐渐变为成倍周期图型;当转速超过15000 r/min时,转子的振动变得没有规律,变成混沌图;从转子不同影响参数下的分岔图发现,转子系统的振幅与转速和密封长度成正比,与密封间隙和轴承润滑长度成反比;在设计转子结构时可以通过增加密封间隙或延长轴承润滑长度的方式降低振幅。在转子系统中,影响最大的因素是转子转速,其次是转子结构。

双风冷外转子永磁同步电机不同动密封结构的传热特性

为加强基于定转子双风冷外转子永磁同步电机内部小间隙处密封性的同时保障间隙的散热性,在考虑旋转因素下,利用计算流体力学的方法对电机小间隙处不同迷宫密封结构在不同工况下的流场和传热特性进行数值模拟,通过对间隙处压力、速度的分析,探讨上下间隙处不同迷宫密封结构对电机整体密封性能以及定子侧壁面散热性的影响,并使用泄漏量和努塞尔数作为评价因子对其密封性能和散热性进行评估。结果表明:轴流风扇工况为吸风时更有利于提升电机密封性并同时保障间隙处散热性;在上下定转子间隙处添加迷宫密封的方式可以有效提高电机在双风冷系统下的密封性,且上下间隙处密封结构的压降总和越大,泄漏量越小;间隙处定子侧壁面的平均努塞尔数因迷宫密封的添加会有所下降,并且当来流温度低于壁温时其下降程度随密封结构阻流效果的增大而增大,高于壁温时随密封结构阻流效果、凹槽漩涡强度的减小而增大;相较于无密封结构,定子侧双凹槽结构在提高电机整体密封性的同时有效保障了间隙的散热性,研究结果为外转子永磁同步电机内部间隙处密封和散热结构的设计提供了参考。

非线性转子-密封系统的稳定性和 Hopf 分叉

采用Ｍｕｓｚｙｎｓｋａ密封力模型分析单圆盘平衡转子－密封系统的线性化稳定性与系统参数的关系。理论分析表明，平衡点失稳导致系数产生Ｈｏｐｆ分叉，利用Ｐｏｏｒｅ的代数判据确定了转子Ｈｏｐｆ分叉解的分叉方向和周期轨道的稳定性，数值模拟验证了理论分析结果。

环形密封对离心泵转子系统稳定性影响的数值研究

环形密封中流体产生的激振力是导致离心泵转子-密封系统失稳的重要因素。文章采用非线性密封Muszynska模型建立了离心泵转子-密封系统动力学模型,利用四阶Runge-Kutta法将二阶微分方程转化成了一阶微分方程,同时将打靶法和Floquet理论相结合,对离心泵转子-环形密封系统不同密封参数情况下的非线性稳定性及其分岔问题进行了研究。结果表明,在转速较低时,系统是稳定的周期涡动,随着转速的提高,系统将产生Hopf分岔进入准周期运动而不再稳定,进一步研究发现系统稳定性与密封参数有着重要关系,适当增大密封压差,减小密封间隙和减小密封长度可以提高离心泵转子-密封系统稳定性,计算结果为离心泵转子-密封系统的设计以及定性控制系统的稳定性提供了理论依据。

迷宫密封结构对泄漏量和轴系临界转速影响分析研究

运用数值方法对转子-轴承-密封系统动力学模型求解,对3种密封间隙、8种密封直径、8种压差、8种入口损失率和21种密封长度对泄漏量和临界转速的影响进行研究;通过密封结构对轴系临界转速影响规律进行研究,对比分析了有、无密封力作用下转子-轴承-密封系统对临界转速影响。研究结果表明:通过与DYNLAB程序、TASCFlow程序的结果对比分析,该数学模型能较好的模拟计算泄漏量和转子系统临界转速;通过对泄漏量影响规律研究,得出泄漏量随着密封间隙、密封直径和密封长度做增大而增大,泄漏量随压差和入口损失率的增大而减小。通过对临界转速影响规律研究,得到考虑密封会提高临界转速,密封长度的变化对临界转速的影响最大、密封间隙的变化对临界转速影响最小。

非线性转子-密封系统稳定性与分岔

对单盘转子密封系统的分岔特性进行了研究,利用快速Galerkin方法和Floquet理论得到了转子密封系统的分岔转迁集,并分析了转子不平衡量、密封间隙以及密封两侧压差对系统分岔特性的影响,结果表明转子系统在密封流体作用下存在倍周期和Hopf分岔.最后通过数值仿真验证了所求得的分岔转迁集的正确性.研究结果为控制转子系统的稳定性提供了理论依据.

非线性转子-密封系统的亚谐共振失稳机理研究

研究单圆盘转子－密封系统的亚谐共振失稳机理，密封力采用Ｍｕｓｚｙｎｓｋａ模型。文［１］曾研究了平衡系统的Ｈｏｐｆ分岔，表明转子平衡态失稳后进入周期涡动状态，本文研究不平衡质量对失稳运动的影响，即周期扰动的Ｈｏｐｆ分岔问题。研究得到了转子在分岔点附近的１／２亚谐共振情况下的振动性态，为转子亚谐共振故障的识别和预防提供了一些新的理论依据。

偏心量对转子-轴承-密封耦合系统非线性振动特性影响的分析

转子偏心量是直接关系转子系统运行稳定性的一个重要因素,将迷宫密封力模型和capone圆轴承非线性油膜力模型相结合,建立了具有非线性转子-轴承-密封耦合系统的动力学模型,研究了转子-轴承-密封耦合系统在不同的偏心量下的非线性动力学行为。针对转速对耦合系统动态响应进行了仿真计算,给出了四个不同转子偏心量下系统轴颈和圆盘随转速变化的响应分叉图,以及典型转速下的Poincare截面图。研究发现随着不平衡量增加,系统出现了混沌运动,但在较大不平衡量时,随着转速的增加,系统在混沌运动后最终呈现同频周期运动,这表明较大的不平衡量反而有助于增加系统稳定的作用。还给出了系统在特定转速下偏心量变化影响下的分岔图,并分析了变化的平衡量下系统对应着复杂的非线性运动。数值计算表明,转子转速、偏心量都是影响系统动力学行为的重要因素,随着转速和偏心量的变化,系统呈现单周期运动、拟周期运动、混沌运动等复杂的动力学行为,具有很强的非线性特征。并且这些结果为实验中偏心量的选择提供了有利的依据。

迷宫密封转子系统非线性动力稳定性的研究

研究迷宫密封对转子系统动力稳定性的影响 ,迷宫密封的气动力采用Muszynska非线性力模型 ,计算了单盘Jeffcott转子非线性动力学特性。对Jacobi矩阵的分析表明 ,在密封力的影响下 ,转子达到到一定转速后开始失稳 ,发生Hopf分岔 ,进入周期涡动状态 ,涡动幅度随转速的提高而增大 ,提高到一定程度 ,密封和转子发生碰摩 ,采用Runge Kutta法数值模拟了转子的轴心轨迹。最后分析了迷宫密封的物理和结构参数对系统运动特性的影响。

超超临界汽轮机转子密封激振特性研究

考虑非线性密封激振力、可倾瓦轴承的弹性支承力、转子阻尼力、转子不平衡力与重力,建立超超临界600MW汽轮机高中压转子-密封系统的非线性动力学模型。该非线性转子-密封系统动力学方程组具有超大规模的维数,采用Newmark数值积分方法对其进行求解,模拟出运行在正常工况下与最大工况下转子不平衡响应与汽流激振的特性;对转子不平衡量和密封流体的周向平均流速对汽流激振现象的影响规律进行分析。结果表明:在一定的范围内,不平衡量大小对发生汽流激振的失稳转速影响很小;密封内流体周向平均速比是影响汽流激振的失稳转速的主要因素,适当减小密封内流体周向平均速比可提高汽流激振的失稳转速;超超临界机组运行在最大工况下高中压转子发生汽流激振的失稳转速明显低于正常工况下的失稳转速。

大型非线性转子-密封-轴承系统的不平衡响应与稳定性

对实际大型汽轮机转子-密封-轴承系统建立了具有超大规模维数的非线性动力学模型,该模型考虑了密封的非线性激振力、可倾瓦轴承的弹性支承力、转子的阻尼力、不平衡质量力和重力。采用Newmark方法对其进行数值求解,模拟出转子升速过程中汽流激振现象的典型特征和发生汽流激振的失稳转速,并且得到系统参数对转子不平衡响应和稳定性的影响规律。结果表明:适当的增大转子的阻尼、密封的半径间隙和密封流体轴向流速可提高转子发生汽流激振的失稳转速,这为在设计和运行中提高实际大型汽轮机转子-密封-轴承系统的稳定性提供了参考依据。

非线性转子-密封系统动力学行为演变机理研究

旋转机械广泛应用于民用、航空、航天和航海等各个领域,其稳定的动力学行为是保证工程机械安全运行的前提。本文主要针对转子-密封系统丰富的非线性动力学行为,利用非线性动力学等理论分析了转子-密封系统发生Hopf分岔和1:2亚谐共振等动力学行为的产生条件和机理,进一步给出了非线性转子-密封系统由自激振动引发亚谐共振的动力学行为演变机理,并通过理论分析,阐明了转子-密封系统的气流阻尼和刚度等动力学参数对系统动力学稳定性的影响规律,同时也利用数值计算验证了分析结果。其理论分析结果对实际工程振动分析和结构设计具有一定的理论指导意义。

转子密封系统流体激振问题的流固耦合数值研究

随着叶轮机械的工作转速越来越高,工程中发生了大量的密封流体激振问题。实验证明,高转速下的流体激振属于自激振动,但采用传统的刚度阻尼线形假设无法模拟出这一物理现象。本文发展了一种高精度的流固耦合计算方法,用这种算法成功地模拟出转子密封系统在高转速下的自激振动,且捕捉到频率锁定的现象,而且发现随着转速的提高,固有频率也增大。另外,本文还得到了压比、预旋度对密封转子自激振动的影响规律。

转子-轴承-密封系统非线性动力学理论和试验研究

采用理论分析和试验研究相结合的方法,研究油膜力和密封力联合作用下转子轴承密封系统的非线性动力学特性和稳定性。将转子轴承密封试验台系统等效为Jeffcott系统,采用短轴承理论建立油膜力的非线性模型,采用Muszynska模型建立非线性的密封力。通过数值仿真研究在不同转子转速下密封力对系统非线性特性和稳定性的影响。将试验结果与理论计算进行比较,两者基本一致。

不确定转子耦合系统的经验参数研究

提出用非线性动力学行为进行不确定转子-轴承-密封耦合系统经验参数的研究,结果旨在为选择重要经验参数和实际控制转子的稳定运行提供依据。基于Muszynska模型和Capone圆轴承非线性油膜力模型,推导建立密封流体激振力和油膜力共同作用下的参数不确定转子-密封-轴承系统非线性动力学方程,通过数值分析,研究了该系统在平均周向速比常数影响下的分岔特性以及影响规律,并分析了几个特定参数下系统随转速变化的分岔特性和非线性动力学行为。分析结果发现,平均周向速比常数对系统的非线性动力学行为影响很大,随着平均周向速比常数的增大,系统提前出现倍周期分叉,并且振幅增大,使得不稳定性增加。基于上述分析,给出了合理的平均周向速比常数取值范围。

转子—轴承—密封系统非线性动力学特性研究

采用数值方法研究转速对转子-轴承-密封系统非线性动力学特性的影响,采用Muszynska非线性密封力模型和Capone圆轴承油膜力模型,建立超超临界汽轮发电机组高压端转子—轴承—密封系统的非线性动力模型。通过数值方法,研究转速对转子—轴承—密封动力学特性的影响,计算不同转速下的转子时间历程图、轴心轨迹图、Poincare图和频谱图,揭示了转速变化对转子非线性振动的影响规律。

迷宫密封对高参数转子系统稳定性的影响分析及公理设计方法应用

针对高参数汽轮机,研究迷宫密封汽封力和轴承油膜力作用下的转子系统稳定性问题。首先基于两控制体模型对各级密封的动特性进行计算,并与6瓦可倾瓦轴承进行对比,发现高压缸围带密封的交叉刚度已达107N/m,与轴承相当或更大,表明密封相比轴承是稳定性的主导因素。然后采用有限元方法将实际转子进行模化,根据建立的转子轴承密封系统动力学模型,对不同密封间隙和转速下的系统动力学特性进行计算分析,表明：考虑密封力后系统的最小对数衰减率min下降很大但对临界转速影响不大。间隙对min的影响存在区域性,在小于设计间隙（0.5~0.8 mm）范围选择合适的间隙可使系统的泄漏特性和稳定性最优。最后针对4种密封耦合设计方案,采用公理化方法研究其概念设计过程中的知识表达、知识融合及优化决策,表明该方法的简明和有效性。

液体密封压力差对转子系统动力学性能的影响

利用数值方法,通过求解基于Bulk-flow模型的液体动压环状密封控制方程,得到不同密封压力差下液体动压环状密封的动力特性系数。结合密封的流体动反力模型,建立考虑液体动压环状密封动力学特性的系统运动方程,通过理论分析导出表征系统动力学性能的模态阻尼与频率、振幅对数衰减率以及动力放大系数等的解析表达式,并计算分析密封压力差对转子系统动力学性能的影响。结果表明:正、反向涡动模态阻尼和正、反向涡动的振幅对数衰减率均随密封压力差的增加而增大,动力放大系数随密封压力差的增加而减小,而正、反向涡动模态频率先随密封压力差的增大而减小,达到最小值后又随密封压力差的增加而增大。

唇形密封圈对轴承转子动力学性能的影响

采用传递矩阵法构建了转子-轴承-密封系统的动力学模型,并建立了唇形密封圈径向刚度、油膜刚度和油膜阻尼的计算方法。以某核电站离心风机转子为研究对象,计算并分析了转子-轴承-密封系统弯曲振动的固有频率、阻尼衰减因子、模态振型和不平衡响应,以及唇形密封圈过盈量和轴偏心量对离心风机轴承-转子-密封系统动力学性能的影响,为转子-轴承-密封系统动力学性能的研究提供理论依据。