转子系统动力模型变态相似分析及设计方法研究

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1、第1章绪论1．1课题来源及研究背景1．1．1课题来源本文的课题来源于国家自然科学基金资助项目“大型机电装备复杂特性的相似模拟研究”(课题编号为：51175517)及国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“先进重型燃气轮机制造基础研究”的子课题“高温服役环境下大型组合转子系统性能退化机理及故障演变规律”(课题编号为：2013CB035706)。1．1．2研究背景在现代工业生产中，大型旋转机械是国民经济中极为重要的动力装备，广泛应用于航空发动机、汽轮机组、燃气轮机组、工业压缩机、离心泵以及化工机械等机械设备中llJ。而转子系统作为旋转机械的核心部件，在电力、航空、船舶、能源、交通

2、、机械等领域中发挥着无可替代的作用。引发高速大型旋转机械发生毁机重大事故与振动故障的原因极其复杂。转子系统的振动经常会给工程带来不必要的损失，如50年代美国匹兹堡与亚利桑那电站发生的在调速过程中的发电机转子断裂重大事故；70年代法国Procheville电厂发生的因振动引发的涡轮机转轴断裂事故；80年代我国大同电厂与秦岭电厂发生的汽轮机组因剧烈振动引发的断轴事件；90年代仪征化纤联合工业公司动力厂发生的因剧烈振动引发的齿轮断裂事故。大量的工程实践表明，旋转机械7096的设备故障都和转子及其组件有关，因而转子系统动力学各相关领域的研究引起国内外学者的关注。目前，转子系统动力学特性的

3、研究方法主要有理论分析、数值计算、现场测试和模型试验。理论分析仅适用于极少数特殊的简单情况，其难以准确预测转子动力学特性；计算机仿真并不能完全反映转子系统的真实结构特性、实际工况等要素；现场测试的结果与测点的数目紧密相关，另外现场测试可能要调整转子系统的运行，这将有可能造成不必要的损失；此外由于转子系统本身结构比较复杂、功能多元化、尺度巨大、设备相当昂贵、工作条件要求特别高、故障工况也比较危险多变，一般很难对其直接进行试验研究。因此通过转子模型试验研究从而获得实际转子的动力特性，就成为一种重要的研究手段。模型试验研究方法(也称模拟思维方法)是建立与原型相似的模型进行试验研究，从而

4、揭示原型本质和规律的方法【2J。这种研究方法的应用由来已久，并广泛应用于科学研究、工程设计与施工、自动控制系统工程、能源系统工程、海洋和空间科学技术的研究与设计等诸多领域。目前除了小部分在原型结构上直接进行的检验性试验之外，大部分的研究性试验均属于模型试验例。模型试验主要有缩尺的整体模型试验、缩尺的局部模型试验以及足尺的局部模型试验[41；而根据模型与原型相似程度，缩比模型可分为正态模型和变态模型。随着模型试验技术的发展、试验设备加载能力的提高，科研工作者更多采用足尺试验或大尺度试验。模型试验的理论基础是相似理论，且相似模型设计及由模型试验结果反演原型特性都是以相似理论导出的相似

5、条件为基础的【5J。从经典相似理论的基本要求出发，模型应当以满足几何相似的正态模型为佳，因为正态模型更有利于揭示原型物理规律，同时也为模型动力学相似提供非常重要的前提条件。但是有时由于试验条件和技术的限制，不得不在一定程度上降低几何相似的要求，采用变态模型进行试验研究。从理论上讲，变态模型并不完全满足相似理论的要求，但在动力学方面有时能达到较好相似，另外变态模型的运用能拓宽模型试验应用范围。长期以来，国内外众多学者对转子系统的动力学特性模型试验及其相似性问题方面进行了研究，取得了许多研究成果。然而，现有的关于转子系统动力学相似性研究大多是在假设转子支承为刚性的条件下进行相似分析，

6、同时有关转子系统动态响应相似性问题研究极少，此外对于转子系统动力模型变态相似性问题研究在国内外几乎没有。总之，目前对于转子系统动力学相似性研究还不够全面，如何有效地建立转子系统试验模型尚缺乏实用成熟的设计方法。因此，有必要基于相似理论，探讨转子系统动力模型正态相似和变态相似问题，拓宽变态模型的应用范围，发展和完善转子系统动力学相似性研究理论，实现利用模型试验结果预测实际转子系统的动力学特性，并提出一种有效的转子系统模型设计方法，为转子系统试验模型相似设计及动力学模型试验研究提供理论支持。1．2国内外研究现状1．2．1转子系统动力学特性研究现状转子系统动力学是一门研究旋转机械转子及

7、其相关组件的动力学特性的科学，包括振动特性研究、动态响应研究、可靠性研究、稳定性研究及振动控制研究等【61。这门学科研究的方向主要有：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、振动与不平衡响应；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合振动；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