某型涡轮转子发动机强度和转子动力学分析
分类号
ＵＤＣＺ◎Ｚ密级
单位代码１０１５１
某型涡轮转子发动机强度和转子动力学分析
刘箫
指导教师李范春职称
学位授予单位大连海事大学
教授
申请学位级别硕士学科（专业）船舶与海洋工程
论文完成日期２０１３年６月答辩日期２０１３年６月
答辩委员会主席
、
Ansys转子动力学
基于ANSYS的转子动力学分析 1、题目描述 如图1-1所示,利用有限原原理计算转子临界转速以及不平衡响应。 图 1-1 转子示意图及尺寸 2、题目分析 采用商业软件ANSYS进行分析，转子建模时用beam188三维梁单元,该单元基于Timoshenko梁理论，考虑转动惯量与剪切变形的影响。每个节点有6个(三个平动,三个转动)或7各自由度（第七个自由度为翘曲，可选）。 轴承用combine214单元模拟。该单元可以模拟交叉刚度和阻尼。只能模拟拉压刚度，不能模拟弯曲或扭转刚度。该单元如图2-1所示，其有两个节点组成，一个节点在转子上，另一个节点在基础上。
图 2-1 combine214单元 对于质量圆盘，可以用mass21单元模拟，该单元有6个自由度，可以模拟X,Y,Z 三个方向的平动质量以及转动惯性。 3、计算与结果分析 3.1 转子有限元模型 建模时，采用钢的参数，密度取37800/kg m ，弹性模量取112.1110pa ，泊松比取0.3。轴承刚度与阻尼如表1所示，不考虑交叉刚度与阻尼，且为各项同性。 Kxx Kyy Cxx Cyy 4e7N/m 4e7N/m 4e5N.s/m 4e5N.s/m 将转子划分为93个节点共92个单元。有限元模型如图3-1所示。
图 3-1 转子有限元模型 施加约束时，由于不考虑纵向振动与扭转振动，故约束每一节点的纵向与扭转自由度，同时约束轴承的基础节点。施加约束后的模型如3-2所示。 图 3-2 施加约束后的有限元模型 3.1 转子临界转速计算 在ANSYS中可以很方便的考虑陀螺力矩的影响。考虑陀螺力矩时，由于陀螺矩阵是反对称矩阵，所以求取特征值时要用特殊的方法。本文考虑陀螺力矩的影响，分析了在陀螺力矩的影响下，转子涡动频率随工作转速的变化趋势，其Campell图如图3-3所示。同时给出了转子的前四阶正进动涡动频率与反进动涡动频率以及固有频率。如表3-2所示。
转子动力学知识
2转子动力学主要研究那些问题 答：转子动力学是研究所有不旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性,包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。这门学科研究的主要范围包括：转子系统的动力学建模与分析计算方法；转子系统的临界转速、振型不平衡响应；支承转子的各类轴承的动力学特性；转子系统的稳定性分析；转子平衡技术；转子系统的故障机理、动态特性、监测方法和诊断技术；密封动力学；转子系统的非线性振动、分叉与混沌；转子系统的电磁激励与机电耦联振动；转子系统动态响应测试与分析技术；转子系统振动与稳定性控制技术；转子系统的线性与非线性设计技术与方法。 3转子动力学发展过程中的主要转折是什么 答：第一篇有记载的有关转子动力学的文章是1869年Rankine发表的题为“论旋转轴的离心力”一文,这篇文章得出的“转轴只能在一阶临界转速以下稳定运转”的结论使转子的转速一直限制在一阶临界以下。最简单的转子模型是由一根两端刚支的无质量的轴和在其中部的圆盘组成的,这一今天仍在使用的被称作Jeffcott转子的模型最早是由Foppl在1895年提出的,之所以被称作“Jeffcott”转子是由于Jeffcott教授在1919年首先解释了这一模型的转子动力学特性。他指出在超临界运行时,转子会产生自动定心现象，因而可以稳定工作。这一结论使得旋转机械的功率和使用范围大大提高了，许多工作转速超过临界的涡轮机、压缩机和泵等对工业革命起了很大的作用。但是随之而来的一系列事故使人们发现转子在超临界运行达到某一转速时会出现强烈的自激振动并造成失稳。这种不稳定现象首先被Newkirk发现是油膜轴承造成的,仍而确定了稳定性在转子动力学分析中的重要地位。有关油膜轴承稳定性的两篇重要的总结是由Newkirk和Lund写出的,他们两人也是转子动力学研究的里程碑人物。 4石化企业主要有哪些旋转机械，其基本工作原理是什么 汽轮机：将蒸汽的热能转换成机械能的涡轮式机械。工作原理：在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。作用与功能：主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活的供热需要。 燃气轮机：是一种以空气及燃气为介质，靠连续燃烧做功的旋转式热力发动机。主要结构由三部分：压气机，燃烧室，透平（动力涡轮）。作用与功能：以
转子动力学
转子动力学是固体力学的一个分支。本文主要研究转子支承系统在旋转状态下的振动，平衡和稳定性，特别是在接近或超过临界转速的情况下转子的横向振动。转子是涡轮机，电动机和其他旋转机械的主要旋转部件。 200多年来，工程和科学界一直关注转子振动。w.j.m. 1869年英格兰的兰金（Rankin）和1889年法国的拉瓦尔（c.g.p.de Laval）对挠性轴的测试是研究此问题的先驱。随着现代工业的发展，高速细长转子逐渐出现。由于它们通常在柔性状态下工作，因此它们的振动和稳定性变得越来越重要。转子动力学的主要研究内容如下： ①临界速度 由于制造误差，转子每个微小部分的质心与旋转轴略有偏离。当转子旋转时，由上述偏差引起的离心力将使转子产生横向振动。在某些速度（称为临界速度）下，这种振动似乎非常强烈。为了确保机器不会在工作速度范围内产生共振，临界速度应适当偏离工作速度，例如大于10％。临界速度与转子的弹性和质量分布有关。对于具有有限集总质量的离散旋转系统，临界速度的数量等于集总质量的数量；对于具有连续质量分布的弹性旋转系统，临界速
度是无限的。传递矩阵法是计算大型转子支撑系统临界转速的最常用数值方法。要点是：首先，将转子分成几个部分，每个部分左右两端的四个部分参数（挠度，挠度角，弯矩和剪切力）之间的关系可以通过传递来描述。该部分的矩阵。以此方式，可以获得系统的左端和右端的横截面参数之间的总传递矩阵。然后，根据边界条件和自然振动中非零解的条件，通过试错法求出各阶的临界速度，得到相应的振动模式。 ②通过临界速度的状态 通常，转子以可变速度通过临界速度，因此通过临界速度的状态是不稳定的。与以临界速度旋转时的静止状态不同，有两个方面：一是振幅的最大值小于静止状态的振幅，速度越大，振幅的最大值越小。另一个是振幅的最大值不会在像静止状态那样的临界速度下出现。在不稳定状态下，频率转换干扰力作用在转子上，这使分析变得困难。为了解决这种问题，在数值计算或非线性振动理论中必须使用渐近法或级数展开法。 ③动态响应
转子动力学知识
转子动力学知识 2转子动力学主要研究那些问题？ 答：转子动力学是研究所有不旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性,包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。这门学科研究的主要范围包括：转子系统的动力学建模与分析计算方法；转子系统的临界转速、振型不平衡响应；支承转子的各类轴承的动力学特性；转子系统的稳定性分析；转子平衡技术；转子系统的故障机理、动态特性、监测方法和诊断技术；密封动力学；转子系统的非线性振动、分叉与混沌；转子系统的电磁激励与机电耦联振动；转子系统动态响应测试与分析技术；转子系统振动与稳定性控制技术；转子系统的线性与非线性设计技术与方法。 3转子动力学发展过程中的主要转折是什么？ 答：第一篇有记载的有关转子动力学的文章是1869年Rankine发表的题为“论旋转轴的离心力”一文,这篇文章得出的“转轴只能在一阶临界转速以下稳定运转”的结论使转子的转速一直限制在一阶临界以下。最简单的转子模型是由一根两端刚支的无质量的轴和在其中部的圆盘组成的,这一今天仍在使用的被称作Jeffcott转子的模型最早是由Foppl在1895年提出的,之所以被称作“Jeffcott”转子是由于Jeffcott教授在1919年首先解释了这一模型的转子动力学特性。他指出在超临界运行时,转子会产生自动定心现象，因而可以稳定工作。这一结论使得旋转机械的功率和使用范围大大提高了，许多工作转速超过临界的涡轮机、压缩机和泵等对工业革命起了很大的作用。但是随之而来的一系列事故使人们发现转子在超临界运行达到某一转速时会出现强烈的自激振动并造成失稳。这种不稳定现象首先被Newkirk发现是油膜轴承造成的,仍而确定了稳定性在转子动力学分析中的重要地位。有关油膜轴承稳定性的两篇重要的总结是由Newkirk和Lund写出的,他们两人也是转子动力学研究的里程碑人物。 4石化企业主要有哪些旋转机械，其基本工作原理是什么？ 汽轮机：将蒸汽的热能转换成机械能的涡轮式机械。工作原理：在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。作用与功能：主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活的供热需要。
某型号涡轴发动机涡轮转子卡滞故障分析
文章编号:1673 1220(2006)04 051 03 某型号涡轴发动机涡轮转子卡滞故障分析 郭 徽,尹洪举,马水全 (总参陆航部军事代表局,株洲,412002) 摘 要 本文针对陆航某团发生的发动机涡轮转子卡滞故障,从分析故障现象和有关数据出发,查出了卡滞故障发生原因,并提出了有针对性的预防措施。 关键词 涡轴发动机;涡轮转子;故障;卡滞 中图分类号: V235.12 文献标识码: A Fail ure Anal ysis of Turbine Rotor Bi ndi ng of a Turbo Shaft Engi ne GUO hu,i Y I N hong j u,MA shu i quan (L and-Am ary A v iati on Bureau of G ene ra l Sta f,f Zhuz hou,412002) A bstract The fa ilure process of the tur b i n e rotor b i n di n g of a turbo shaft eng i n e ser v ic i n g in the land ar m y i s descr i b ed,and its causations is revealed through the facts and the data analysis,Pr oper m easures to preven t it recurrence are suggested by the author. K ey words tur bo shaft eng ine;tur b i n e r o tor;fa il u re;bind 随着现代科技的发展和制造工艺的进步,促进了航空发动机制造工业向着高性能高精密方向发展,例如为了减少流量损失,提高发动机性能,某型号涡轴发动机燃气涡轮转子叶片的叶尖与导向器内环之间间隙必须控制在一定范围之内(0 45~0 5 mm)。因此,当出现某种原因(比如:温度场不均匀,导向器变形,或者涡轮转子动平衡被打破,使涡轮叶片叶尖与导向器内环的间隙变小),在涡轮转子高温高速旋转时,涡轮叶片叶尖与导向器内环就容易发生碰磨,产生卡滞现象。下面就针对某型号涡轴发动机转子卡滞故障进行分析,查找出其原因,并提出了预防故障的措施。 1 故障发生过程 2006年4月14日下午,陆航某团组织某型号直升机(双发型)在高度1200m实施第四架次空中再开车带飞训练(前三架次均正常),在关闭右发飞行时,直升机单发工作正常。当机械师按程序启动右发,按压启动按钮后,Ng为零不上升,扭矩不上升,T4上升到260 ,10s后,机组中止启动。等T4温度下降至160 后,实施第2次启动,Ng和扭矩仍不上升,启动时间10s后,中止启动。对该发动机实施冷转,Ng不上升,再次启动发动机,Ng和扭矩仍不上升,T4上升至432 后不再上升,再次中止启动。根据指挥员的指示,高度分别下降至800m、200m再次启动右发,现象同上,仍不成功。最后直升机单发滑跑安全着陆,全场停飞,有关人员至机场对该发动机进行地面检查。在检查中,发现以下情况: (1)外观检查未见异常,转动自由涡轮转子未见异常,转动轴流压气机转子未见异常; (2)启动该发动机检查。冷转检查,N g指示正 总第148期2006年第4期 直 升 机 技 术 HEL I CO PTER TEC HN IQU E T ota l N o.148 N o.42006 收稿日期:2006 06 08
第四章 旋转机械的动力学特性
第四章旋转机械的动力学特性机械系统动力学 第四章旋转机械的动力学特性 旋转机械 的 动力学特性 第四章旋转机械的动力学特性第四章第四章转子动力学的任务和内容 第四章临界转速critical speed
第四章转子系统临界转速的概念 中经过某一转速附近时，支撑系统经常会发生剧烈振动 第四章旋转机械的动力学特性 由于材料、工艺等因素使圆盘的质心偏离轴线，偏心距为e 。当转子以等角速度ω自转时，偏心引起的离心惯性力将使轴弯曲，产生动挠度。 转子的临界转速 第四章旋转机械的动力学特性第四章旋转机械的动力学特性 第四章旋转机械的动力学特性第四章旋转机械的动力学特性
第四章旋转机械的动力学特性 可见，这时质心的坐标为（0，0）。质心C 与旋转中心O 1重合，圆盘和弯曲的轴都绕着质心C 旋转。自动定心现象 第四章旋转机械的动力学特性 第四章转机械的动力学特性 单转子的临界转速和振型 多自由度转子有多个临界转速和相应的振型 第四章支承刚度对临界转速的影响 支承刚度对临界转速的影响，在不同支承刚度范围内是很不同的。 第四章学特回转效应对临界转速的影响 回转效应是旋转物体惯性的表现，它增加轴此圆盘轴线方向不变，没有回转效应 此圆盘轴线方向变化，回转效应增加轴的刚性 第四章械的动力学特性 高压转子中压转子低压转子发电机转子 多跨转子轴系由高压转子、中压转子、低压转子和发电机转子组成。 全长30余米，共 。
第四章力学特多转子轴系的临界转速和振型 200MW 高压转子中压转子 低压转子 发电机转子 轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用第四章旋转机械的动力学特性 多转子轴系的固有频率和振型 第四章200MW 汽轮发电机组轴系 第四章第四章转子的不平衡响应 对不平衡不敏感。不敏感转子 阻尼小阻尼大第四章转子的稳定性stability 对称 第四章旋转机械的动力学特性 产生的稳定的周期性振动,叫自激振动。
ANSYS中的转子动力学计算
ANSYS 中的转子动力学计算 安世亚太 许明财 转子动力学是固体力学的一个重要分支，它主要研究旋转机械的“转子－支承”系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，其主要研究内容有几个方面：临界转速、动力响应、稳定性、动平衡技术和支承设计。在旋转机械研究设计中，转子动力学的性能分析是极其重要的一个方面。 旋转机械广泛应用于以下领域: y 涡轮机械 y 能量站 y 机械工具 y 汽车 y 家用器械 y 航空领域 y 船舶推进系统 y 医疗器械 y 计算机设备 传统的转子动力学分析采用传递矩阵方法进行，由于将大量的结构信息简化为极为简单的集中质量—梁模型，不能确保模型的完整性和分析的准确度；而有限元在处理转子动力学问题时，可以很好地兼顾模型的完整性和计算的效率，但多年来转子的“陀螺效应”一直是 制约转子动力学有限元分析的“瓶颈”问题。 ANSYS 很好地解决了动力特性分析中“陀螺效应”影响的问题，而且陀螺效应的考虑不受计算模型上的限制，使得转子动力学有限元分析变得简单高效。 本文对ANSYS 的转子动力学计算功能进行简要介绍。 1 ANSYS 转子动力学的理论基础 ANSYS 转子动力学分析中，两种参考坐标系可供选择：静止坐标系和旋转坐标系。空间点P 在静止坐标系（其原点在O′）下的位置矢量为r′，在旋转坐标系（其原点在O）下的位置矢量为r。 在静止坐标系下转子的动力方程为： [][][]{}F {u}K }u ]){gyr [C C (}u {M =+++&&& 式中:为陀螺效应矩阵 ]gyr [C
在旋转坐标系下转子的动力方程为： [][][]{}F }r ]){u spin [K K (}r u ]){cor [C C (}r u {M =?+++&&& 式中:为哥氏效应矩阵, 为旋转软化效应刚度矩阵 ]cor [C ]spin [K 2 ANSYS 转子动力学的计算功能和新技术 ANSYS 转子动力学计算包含如下功能： y 无阻尼临界转速分析 y 不平衡响应分析 y 阻尼特征值分析 y 涡动和稳定性预测 典型的应用包括: y 轴的弯曲变形 y 扭转振动 y 转子轴未对准 y 旋转部分的平衡 y 流制振动 为了分析时计入哥氏效应、陀螺效应和支承的影响，ANSYS 发展了下列新技术单元： SHELL181 4节点有限应变壳单元 PLANE182 二维4节点结构实体单元 PLANE183 二维8节点结构实体单元 SOLID185 三维8节点结构实体单元 SOLID186 三维20节点结构实体单元 SOLID187 三维10节点四面体结构实体单元 BEAM188 三维一次有限应变梁单元 BEAM189 三维二次有限应变梁单元 SOLSH190 三维8节点层合实体-壳单元 COMBIN214 二维轴承单元(可变刚度和阻尼) ANSYS 考虑陀螺效应时没有计算模型上的限制，故可选择一维（梁、管）、二维（轴对称）和三维复杂计算模型进行分析。同时，ANSYS 还提供了一系列功能以完善转子动力学的计算，包括： y CMOMEGA 可以通过组（component CM_NAME）对多个转子指定不同的转速 y CORIOLIS 可以考虑哥氏效应在不同参考坐标系下的影响 y PLCAMP 可绘制坎贝尔图，为临界转速的确定提供了方便 y PRCAMP 可打印固有频率和临界转速 y CAMPB 可绘制预应力结构的坎贝尔图。 y PRORB 可打印出转子涡动幅值 y PLORB 可绘制转子不同截面的涡动轨迹 y SYNCHRO 可以指定激励频率是否与结构速度同步 y 多轴转子 y 正向/反向旋转和不稳定性 3 实例 实例1：梁单元与实体单元比较
ANSYS 中的转子动力学计算
ANSYS 中的转子动力学计算 雷先华 安世亚太 转子动力学是固体力学的一个重要分支，它主要研究旋转机械的“转子－支承”系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，其主要研究内容有几个方面：临界转速、动力响应、稳定性、动平衡技术和支承设计。在旋转机械研究设计中，转子动力学的性能分析是极其重要的一个方面。 传统的转子动力学分析采用传递矩阵方法进行，由于将大量的结构信息简化为极为简单的集中质量—梁模型，不能确保模型的完整性和分析的准确度；而有限元在处理转子动力学问题时，可以很好地兼顾模型的完整性和计算的效率，但多年来转子的“陀螺效应”一直是制约转子动力学有限元分析的“瓶颈”问题。ANSYS 很好地解决了动力特性分析中“陀螺效应”影响的问题，而且陀螺效应的考虑不受计算模型上的限制，使得转子动力学有限元分析变得简单高效。 本文对ANSYS 的转子动力学计算功能进行简要介绍。 1 ANSYS 转子动力学的理论基础 ANSYS 转子动力学分析中，两种参考坐标系可供选择：静止坐标系和旋转坐标系。空间点P 在静止坐标系（其原点在O ′）下的位置矢量为r ′，在旋转坐标系（其原点在O ）下的位置矢量为r 。 在静止坐标系下转子的动力方程为： [][][]{}{}([]){}{}M u C C u K u F gyr +++=&&& []C gyr 为陀螺效应矩阵。 在旋转坐标系下转子的动力方程为： [][][]{}{}([]){}([]){}M u C C u K K u F cor spin r r r +++?=&&& []C cor 为哥氏效应矩阵，[]K spin 为旋转软化效应刚度矩阵。 2 ANSYS 转子动力学的计算功能和新技术 ANSYS 转子动力学计算包含如下功能： – 无阻尼临界转速分析 – 不平衡响应分析 – 阻尼特征值分析
基于ANSYS的电机转子的动力学分析
现代工业上旋转机械单机容量在不断增大，而转子直径不可能随其容量的增大而按比例增大。高转速轻结构是近代高速旋转机械的发展和设计趋势。本文使用ansys研究了电机转子动力学问题，得出ansys可以计算转子动力学问题。 1 引言 转子动力学的研究，最早可追溯到十九世纪六十年代。一个多世纪以来，随着大工业的发展，转子系统被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机等机械装置中，在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。因而，转子动力学有着极强的工程应用背景，其相关的研究工作也越来越受到人们的重视。 由于材质的不均匀，制造、加工及安装误差等，转子系统不可避免的存在着质量偏心，同时转子在工作过程中还可能产生热变形以及磨损和介质的姑附等现象，这些因素或多或少都会导致转子不平衡的增大从而使转子的不平衡振动增大。由过大的不平衡量引起的转子系统的振动是十分有害的，它使机械的效率降低、载荷增加，使一些零部件易于磨损、疲劳而缩短寿命，较大的振动还会恶化操作人员的劳动环境，甚至会导致发生机毁人亡的严重事故。消除或者减小转子系统的振动首先考虑是对转子进行平衡。 现代工业上旋转机械单机容量在不断增大，而转子直径不可能随其容量的增大而按比例增大。高转速轻结构是近代高速旋转机械的发展和设计趋势。转子设计和发展的这种趋势对转子的质量不平衡提出了严格的限制。这种情况下，转子的动力学变得更加突出和重要。本文使用ansys研究了某电机转子的动力学问题，为转子动力学设计找到了一个新的途径。 2 模型的建立及计算 如图1所示，为电子转子的有限元模型，使用BEAM188单元模拟转子的轴，使用MASS21单元模拟转子，使用单元COMBI214模拟轴承。 图1 电机转子的有限元模型（不显示单元）图2 电机转子的有限元模型 （显示单元） 图3给出了Beam188 单元的几何简图。Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影
迷宫密封转子动力学特性的数值模拟
收稿日期:2008-04-14; 修订日期:2008-12-08 基金项目:国家重点基础研究计划(973计划)基金资助项目(2007C B707705);新世纪优秀人才支持计划基金资助项目(NCET -07-0669)作者简介:晏 鑫(1983-),男,湖北黄冈人,西安交通大学博士研究生. 文章编号:1001-2060(2009)05-0566-05 迷宫密封转子动力学特性的数值模拟 晏 鑫1,蒋玉娥2,李 军1,丰镇平1 (11西安交通大学叶轮机械研究所,陕西西安710049;21河南泰隆科技开发应用有限公司,河南郑州450007) 摘 要:采用数值求解三维Reynolds -Averaged Navier -S tokes (RANS )方程,研究了具有16个齿的迷宫密封转子动力学特 性,分析了在两种转速条件下进口预旋对迷宫密封转子动力特性系数的影响,计算了无进口预旋时,在两种压比条件下,迷宫密封系统的交叉刚度和直接阻尼系数随转速的变化关系,并将计算结果与实验值和两控制容积BF (Bulk Flow )方法计算值进行了比较。研究结果表明:所采用的数值方法能较好地预测迷宫密封的转子动力特性,且计算结果优于两控制容积BF 方法。对于迷宫密封,交叉刚度与进口预旋近似成正比关系,且随着转速的增大而增大;直接阻尼对转速和进口预旋均不敏感,但随压比的增大而显著增大。过大的进口预旋和转速均会使转子的稳定性降低;工作在较大转速下的迷宫密封系统可以通过施加合理的进口预旋来增强转子的稳定性。关 键 词:迷宫密封;转子动力学特性;进口预旋;BF 方法;数值模拟 中图分类号:TK 263:O242 文献标识码:A 引 言 迷宫密封由于其技术成熟、成本低、安装方便而广泛应用于叶轮机械行业中。随着科技的不断进步,为了满足封严特性的要求,密封间隙的尺寸不断减小;另一方面,转子的柔性不断增大,均会使得自激振动易于发生[1]。研究表明:压气机中的气流激振力主要来自于其中的迷宫密封;而对于汽轮发电机组而言,蒸汽诱发的转子不稳定振动会成为限制机组出力的重要因素。到2001年,国内已有20多台300MW 等级的机组高压或高中压转子由蒸汽激振引发了不稳定振动[1]。根据工程经验,一旦机组发生流体激振而不能满负荷运行时,可以通过更换轴瓦、改进设计的密封结构尺寸、动静间隙大小、在迷宫密封部位安装止涡装置、改变阀门开度和顺序等措施来解决。可见,由迷宫密封所引起的流体激振是汽轮机组不能稳定、满负荷运行的一个重要因 素。而研究密封参数(包括边界条件和几何参数)对密封系统动力特性系数的影响,对减小激振力、增强转子的稳定性有重要的工程应用价值。 在迷宫密封转子动力特性的预测方面,传统的 理论分析方法主要是采用以整体流动BF (Bulk Flow )理论为基础的两控制容积法,它是由Scharrer 和Childs 建立和完善的[2]。随后,Childs 等人利用1控制体和2控制体BF 模型对进口压力为7MPa 的20齿迷宫密封动力特性进行了预测[3],并与实验值 进行了对比,由于预测结果不太理想,他们建议采用CFD 方法来验证实验结果。两控制容积方法虽然在 预测泄漏量上具有较高的精度,但在预测转子动力特性方面是不太理想的。随着计算机技术和计算流体动力学的发展,CFD 方法在分析迷宫密封动力学特性方面得到了相应的应用。M oore 利用商用软件SCISE A L 成功计算了具有8个静子齿的迷宫密封动 特性[4]。T oshio 利用商用软件CFX -T ASC flow 计算分析了5个静子齿迷宫密封的动特性[5]。黄典贵[6]对迷宫密封流场进行了三维非定常数值求解,得到了密封内气流激振力和动特性系数。陆颂元利用Fluent 商用软件[7],采用二维轴对称计算网格,得出 了含3个静子齿的叶顶围带密封(迷宫式)内气流激振力和动力学特性系数。 本研究利用商用CFD 软件CFX ,采用定常方法计算了16齿迷宫密封的转子动力特性系数,研究了进口预旋、压比和转速对迷宫密封转子动力特性的影响规律,并与实验数据和BF 方法的计算结果进行了比较。 1 计算模型及数值方法 1.1 迷宫密封动力学模型 当转子在(气体)迷宫密封中心附近作小距离运 第24卷第5期2009年9月 热能动力工程 JOURNA L OF E NGI NEERI NG FOR THERM A L E NERGY AND POWER V ol.24,N o.5Sep.,2009
转子动力学
转子动力学 什么是杰斐逊转子，它的意义是什么? 答:转子可以看作是一个安装在失重弹性轴上的圆盘，轴的两端由完全刚性的轴承和轴承座支撑。基于该模型的分析计算得到的概念和结论是转子动力学的基础。它可以准确地用于简单的旋转机械中，定性地解释复杂的问题。 意义:通过对Jeffcott转子的研究，发现当转子超过临界转速时，转子会自动对准，从而能够稳定工作。这一结论大大提高了旋转机械的功率和应用范围。Jeffcott解释了Jeffcott转子的动态特性，指出在超临界工况下转子会自动对准。发现超临界运行过程中会出现自激振动和不稳定，并确定其重要性。 转子动力学主要研究那些问题？ 答：转子动力学是研究所有不旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性,包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。这门学科研究的主要范围包括：转子系统的动力学建模与分析计算方法；转子系统的临界转速、振型不平衡响应；支承转子的各类轴承的动力学特性；转子系统的稳定性分析；转子平衡技术；转子系统的故障机理、动态特性、监测方法和诊断技术；密封动力学；转子系统的非线性振动、分叉与混沌；转子系统的电磁激励与机电耦联振动；转子系统动态响应测试与分析技术；转子系统振动与稳定性控制技术；转子系统的线性与非线性设计技术与方法。
3转子动力学发展过程中的主要转折是什么？ 答：第一篇有记载的有关转子动力学的文章是1869年Rankine发表的题为“论旋转轴的离心力”一文,这篇文章得出的“转轴只能在一阶临界转速以下稳定运转”的结论使转子的转速一直限制在一阶临界以下。最简单的转子模型是由一根两端刚支的无质量的轴和在其中部的圆盘组成的,这一今天仍在使用的被称作Jeffcott转子的模型最早是由Foppl在1895年提出的,之所以被称作“Jeffcott”转子是由于Jeffcott教授在1919年首先解释了这一模型的转子动力学特性。他指出在超临界运行时,转子会产生自动定心现象，因而可以稳定工作。这一结论使得旋转机械的功率和使用范围大大提高了，许多工作转速超过临界的涡轮机、压缩机和泵等对工业革命起了很大的作用。但是随之而来的一系列事故使人们发现转子在超临界运行达到某一转速时会出现强烈的自激振动并造成失稳。这种不稳定现象首先被Newkirk发现是油膜轴承造成的,仍而确定了稳定性在转子动力学分析中的重要地位。有关油膜轴承稳定性的两篇重要的总结是由Newkirk和Lund写出的,他们两人也是转子动力学研究的里程碑人物。 4石化企业主要有哪些旋转机械，其基本工作原理是什么？ 答：汽轮机，燃气轮机，压缩机，离心机，电动机 汽轮机：将蒸汽的热能转换成机械能的涡轮式机械。工作原理：在汽
转子动力学问题
绪论 1、什么是Jeffcott转子，其研究意义是什么？ 2、转子动力学主要研究那些问题？ 3、转子动力学发展过程中的主要转折是什么？ 4、石化企业主要有哪些旋转机械，其基本工作原理是什么？ 第一章单盘转子的临界转速和不平衡响应 1、什么是横向振动？ 2、什么是涡动（进动），其频率是多少？ 3、什么是自动对心？ 4、什么是临界转速？ 5、什么是刚性轴和柔性轴？ 6、什么是幅频响应曲线和相频响应曲线？ 7、什么是陀螺效应？产生陀螺力矩的基本条件是什么？ 8、怎样计算考虑陀螺力矩时转子的临界角速度？陀螺力矩对进动角速度数目和幅值的影响 是什么？ 9、支撑刚度怎样影响转子的临界角速度？ 第三章滑动轴承的动力特性 1、什么是收敛油楔、发散油楔？ 2、利用轴承的平衡半圆说明轴承的工作原理，并说明转速和载荷对轴承稳定性的影响。 3、什么是轴承的八个系数？对轴承的性能有何影响？ 4、什么是轴承的雷诺方程？其基本假设是什么？ 5、什么是紊流轴承理论？ 6、滚动轴承和滑动轴承的阻尼系数和刚度系数的取值范围是什么？ 7、什么是长轴承理论和短轴承理论？ 8、什么是浮环密封、静压轴承、阻尼轴承？ 第六章滑动轴承的油膜力与转子失稳 1、什么是油膜力的分解及其对转子运动的影响？ 2、什么是油膜的半频涡动？ 3、什么是失稳角速度？ 4、什么是轴承的相似系数？ 5、转速如何影响轴径中心、园盘中心和涡动频率？ 6、油膜自激振动的特点是什么？ 第十章转子的平衡 1、什么是静不平衡和动不平衡？ 2、什么是刚性转子和柔性转子？ 3、刚性转子平衡中，怎样进行离心惯性力系的等效简化？ 4、刚性转子的影响系数平衡方法是什么？ 5、柔性转子的影响系数平衡方法是什么？ 6、柔性转子的模态响应圆平衡方法是什么？
(必看)ANSYS转子动力学计算讨论
关于ansys做转子动力学问题若干思考（百思论坛） 最近想学习一下ansys做转子动力学分析,看了点资料,有点自己感想还有一些别的网友的建议,个人认为比较不错的贴了出来 一转子动力学插件: 转子动力学插件演示版我已经用了基本上图形可以出来,由于版本原因例程和实际的对应有点问题,如果要有时间我可以把我做的过程,贴出来. 难点:坎贝尔图我有些不太了解1 2 5 10频率还有一些刚度考虑的随转速在变化,有函数关系例子上提到了用matrix27模拟刚度,而它只用了刚度阻尼单元,好像没有考虑刚度x y 的交叉项,另外因为是演示版,节点有所限制总的来说不错! 将来的要做的工作: 滑动轴承模拟 滚动轴承模拟 挤压油膜阻尼器 密封 转定件接触(碰摩) 电磁场耦合 自润滑轴承(石墨) 有感: 各位学习ansys的高手,有没有兴趣自己开发上面单元,这是很有用的工作,我很感兴趣,但有碍于自己知识水平有限,尤其理论水平,有心无力,如果有对此感兴趣的希望一起研究研究; 另外对于ansys做转子的动力学的书籍市场上几乎没有,呵呵希望能组织一些人力把这本书完成 功在当代利在千秋 提示: 1 根据本人自己瞎琢磨,以及看论坛的各位高手的留言 觉得做模态分析临界转速计算一般用实体单元的少由于不能考虑陀螺力矩 shaft:可以采用beam系列模拟pipe系列也行这些能考虑陀螺力矩 叶轮叶片:采用mass21模拟,计算转动惯量,质量通过实常数设置 刚度阻尼陀螺质量矩阵:都可以采用matrix27模拟,当然也有用弹簧阻尼单元做的, 问题有过考虑油膜的非线性怎么模拟? 2. 网友1:目前轴承计算,采用将刚度和阻尼的8个系数,以施加力和力矩的方式解决> 这个我没搞懂,如果那位给个例子3Q 网友2: Pip16能考虑陀螺力矩的影响,实体单元没有角自由度因此不能考虑陀螺力矩的影响,如果你的转子没有类似大圆盘的部分或者大的转动部分在轴的接近轴向中心,或者转速不高,就不用考虑陀螺力矩的影响,可以先采用pipe16做一下看随着转速提高,陀螺力矩对
转子动力学研究方向综述
转子动力学研究方向综述 （上海大学机电工程与自动化学院，上海200072） 摘要：旋转机械被广泛地应用于包括燃气轮机，航空发动机，工业压缩机及各种电动机等机械装置中。转子动力学是研究所有与旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性，包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。本文回顾了转子动力学的发展历史，分析了研究转子动力学面临的几个主要问题。总结了国内外在转子平衡技术方面、转子系统振动控制技术方面、转子动力学设计方面、转子振动噪声和参数识别方面、转子的动力学特性方面研究的情况。最后讨论了我国转子动力学面临的主要问题。 关键词：转子；动力学；旋转机械 Review of Researches Direction on Rotor Dynamics GAO hai-zhou (School of Mechanical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China) Abstract: Rotating machinery is widely applied to include gas turbine, aviation engine, industrial compressor and all kinds of motor and other machinery. Rotor dynamics is the study of all to the rotor of the rotating machinery and its components and structure dynamic characteristics, including dynamic response, vibration, strength, fatigue, stability, reliability and condition monitoring, fault diagnosis and control subjects. This paper reviews the development history of rotor dynamics, analyses several main problems in the study of rotor dynamics. In rotor balancing technology at home and abroad are summarized, the rotor system vibration control technology, the rotor dynamics design, rotor vibration noise and parameter identification, rotor dynamic aspects of the research. Finally discusses the major problems of rotor dynamics in China Key words: rotor; dynamics; rotary machine 引言 旋转机械[1]被广泛地应用于包括燃气轮机，航空发动机，工业压缩机及各种电动机等机械装置中。在电力、航空、机械、化工、纺织等国民经济领域中起着非常重要的作用[2]，而对其动力学特性的研究也形成了一门专门的学科——转子动力学。转子动力学在国内外都是一门非常活跃的学科，每年都有大量的文章发表。转子动力学是研究所有与旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性，包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。转子动力学研究的目的和任务是为旋转机械转子的优化设计、提高效率、保证安全、减少故障和延长寿命提供理论和技术上的支持与保障。
基于 XLROTOR 的转子动力学分析
基于XLROTOR的转子动力学分析 Mohsen Nakhaeinejad, Suri Ganeriwala SpectraQuest Inc., 8201 Hermitage Road, Richmond, V A 23228 Tel: (804)261-3300 https://www.wendangku.net/doc/124403234.html, 2008.11 摘要：SpectraQuest公司的机械故障仿真器(MFS)Magnum具有转子动力学分析功能，通过XLRotor研究机械的临界转速和不平衡响应。包含电机、轴、圆盘、联轴器和滚动轴承在内 XLRotor对其进行转子动力学分析，的MFS Magnum机器先建模思帝三三冯绍峰爽肤水地方，再使用转子动力学软件 并计算与电机滚动轴承相连轴的刚度和阻尼。不同的轴和圆盘结构预置到模型中，求解出整个旋转系统的阻尼临界转速，得出模态，并且研究了不平衡响应，得到和展示轴承位移和轴承上的动力载荷。本研究清楚地展示出XLRotor软件进行转子动力学分析的能力。 关键字：转子动力学分析，临界转速，旋转机器，不平衡响应，XLRotor，MFS Magnum 1 引言 旋转机器产生的振动特征依赖于其结构和机构。机器故障能够增强和激励振动。机器的振动行为是由固有频率和不平衡造成的，所以在旋转机器的设计和研究中，应该重点考虑。所有物体至少有一个固有频率取决于物体的结构。当旋转速度等于固有频率时，旋转机器就产生了临界转速。遇到固有频率的最低速度被称作第一临界转速。随着速度的增加，会观察出其他的临界转速。将旋转不平衡和不必要的外力降低到最低，对于减小激励共振的合力非常重要。因为共振产生巨大的破坏能量，在设计旋转机器时首先要考虑怎样避免等于或接近临界转速，怎样在加速和减速时安全地通过临界转速。这里提到的“安全”是指不仅要避免灾难性的破坏和人身事故，而且要防止设备过度磨损。 因为很难得到机器运行时的真实动力学理论模型，所以采用各种相似机构的简化模型，以及分析或数值的方法求解模型方程。有限元方法(FEM)是另外一种建模和分析机器固有频率的方法。一般在样机上进行共振测试得到精确的频率，然后进行必要的改进设计，保证不会发生共振。 XLRotor作为转子动力学分析软件，提供了强大的、快速的和准确的工具进行转子动力学建模和分析。软件全部功能包括无阻尼和阻尼临界转速、不平衡、稳定性、模态、非线性瞬态响应、扭转、同步和异步力响应、静不定挠度、滚动轴承和油膜轴承的分析。所有模型的输入先使用工作表和可用的模板和模块去创建每个部分的模型。软件完成计算和分析，结果通过Excel工作表中的表格或图形输出。 本文研究SpectraQuest公司的机械故障仿真器(MFS)Magnum的转子动力学性能：临界转速和不平衡响应。图1显示的是MFS Magnum，建立电机、轴、圆盘、联轴器和滚动轴承的模型，采用转子动力学分析软件XLRotor实现转子动力学分析，计算电机的滚动轴承和轴的刚度和阻尼。导入不同的轴和机构到模型中，解出整个旋转系统的阻尼临界转速，得到模态。并且研究处于加速状态转子的不平衡响应分析，得出轴承上的动力载荷。 2. 建模和分析过程 通过转子动力学分析软件XLRotor对SpectraQuest公司的机械故障仿真器(MFS) Magnum 进行建模，得到不同转子/圆盘机构无阻尼、阻尼临界转速和不平衡响应。
转子动力学发展史
转子动力学发展史 作者，杨建学号：200907110 简介： 回顾了转子动力学的发展历史,总结了在旋转机械转子系统的动力学分析与计算方法;转子系统的不平衡强迫响应与平衡技术;并对现代工程师在转子动力学的发展方向提出了建议和意见。 关键词： 转子，动力学，旋转轴，计算机模拟 内容： 转子动力学有着非凡的历史，主要是由于理论和实践之间的相互作用。的确，人们可以说，，其做法更比其理论推动转子动力学的发展。 首先，一种方法的起源是一个具有挑战性的任务。读者将拥有自己的对历史文献的事后实际诠释权利。在一些情况下，我已经完全遵循内维尔Rieger.1的解释。 朗肯到克尔.W J于1869.2提出一个旋转轴的初步分析，他选择了一个不幸的模型，并预计超过一定的旋转速度，在左右将产生轴弯曲，在这弯曲部分将形成旋涡。他定义为“旋转速度”轴。事实上，它可以证明，超过这个速度旋转无限制。今天朗肯的模型增加径向变形，这个速度将被称为发散失稳速度。 1895年，斯坦利邓克利出版了一本有滑轮的轴载，他的研究的论文中第一句话写道：“众所周知，每一个轴，当在一个特定的速度转弯或者驱动，除非偏转量是有限的，平衡必须被打破，才能在更高的速度再运行真正的轴。这种特殊的速度或'临界速度就是发散失稳速度。临界转速依赖于其尺寸轴的支撑和弹性模量、大小、重量、位置。据我所知，这是第一次使用这个词“临界速度”。 令人遗憾的是那些邓克利视为众所周知的东西，实际上却鲜为人知。例如，1895年由德国土木工程师Foppl八月份发表表明，一个备用转子模型展出了上述朗肯的婆娑的稳定的解决方案，我们不能责怪他们太多，因为Foppl出版了他在明镜的一个期刊，可能是没有很好地认识当代转子的分析。更要告诉大家的一个明显的对于实际工作的工程师,如《瑞典卡尔·德·拉法尔,他在1889年跑单级汽轮机在超临界速度。 我们可以推测，工程师在日光之下劳碌一天后的一种混淆的概念——就是Dunkerley 旋转速度与软的临界速度。这是特别不幸,因为Rankine's的临界速度比Dunkerley的结果更为杰出,。他的可怕的预言被人们广泛接受,并且成为负责令人沮丧的高速转子理论发展了近50年。
SAMCEF有限元 转子动力学分析实例
第15章转子动力学分析实例 15.1转子动力学理论背景 15.1.1 概述 带有旋转部件的整体结构，比如说飞机引擎，它的动力学行为分析需要旋转部件、定子部件和不同的连接设备的模型。模型的处理过程采用的是有限元方法。为了评估系统的整体动力学性能，在对系统的主要方程进行表述之后也要对其进行不同的分析。 这些分析类型主要如下： ?转子系统的临界转速计算； ?当系统中包含控制设备时，检查在旋转速度范围内的稳定性也是必要的； ?叶片丢失等不平衡引起的振动量级预测。 主要的假定有以下方面。首先，结构元件的振动水平保持弹性和几何线性行为，也就是说转子和定子都假定是线弹性的。非线性行为主要是局部的并且存在于模型装配时。另一方面，有足够能量去获得需要的旋转速度。由于弹性的定子对系统的响应有很大的影响，并且这些结构大多数不是轴对称结构，所以系统用惯性坐标系来描述。 15.1.2 转子 有三种有限元模型可用来描述转子系统。 1D模型：转子用梁、弹簧和集中质量单元来模拟，这个模型计算速度快，它适用于有大量参数需要调整时的初期设计分析。但是，比如前文提到的飞机引擎，这个模型的细节可能需要许多专业的经验还有可能耗费很多时间。 图2.1 梁-弹簧-集中质量模型 307
308 傅立叶模型：转子采用2D 傅立叶多谐波单元模拟。对于转子动力学方面的应用，为了描述轴向变形、扭矩变形和弯曲变形与陀螺力矩耦合，必须考虑0和1节径的谐波。这种模型允许旋转设备的更精细模型的开发，它非常适合于带有多数目叶片的旋转机械的建模，也适合圆锥杆的更好的建模 图2.2 2D 傅立叶转子模型 为了促进轴对称转子模型和与它耦合的固定部件或其它旋转部件的使用，还要考虑陀螺效应和阻尼的影响，更新了多谐波实体单元和壳单元库。 为了考虑转子的离心刚度，同时采用不同谐波是一个简单的方法，在瞬态分析中，它可以在同样的运行中做到。另一方面，单元库包含一种专门的连接单元，这种单元可以考虑3D 模型和傅立叶模型之间或轴上的一个3D 节点和傅立叶模型之间的耦合。