非线性汽流激振力对超超临界汽轮机转子运动特性的影响

汽流激振力严重影响超超临界汽轮机的安全稳定运行,为此建立某1 000 MW汽轮机高压缸1.5级的三维全周模型,通过数值模拟得到不同负荷下的非线性汽流激振力,将汽流激振力耦合到转子-轴承-密封系统中,利用Runge-Kutta法求解微分方程组,对转子非线性运动特性进行分析。结果表明:随着转速升高,转子运动幅度变小,额定转速下转子处于一周期运动。随着负荷增加,系统由带混沌倾向的周期性运动向周期性的混沌运动过渡,此后进入复杂紊乱的混沌运动。非线性汽流激振力以分频的形式影响转子运动。低负荷时,振动频率以1/2工频为主,随着负荷升高,振动以工频为主,期间还出现1/3、2/3工频振动。受非线性汽流激振力的影响,转子系统处于混沌运动,最大Lyapunov指数大于零,系统可能失稳。     

非线性动态特性系数对汽轮机转子-轴承-密封系统运动特性的影响

为准确地反应汽流激振下汽轮机转子-轴承-密封系统的运动特性,推导了包含非线性动态特性(非线性刚度、阻尼)的转子运动微分方程,将数值模拟获得的非线性汽流激振力拟合成方程耦合到运动方程中,采用龙格-库塔法求解对应的运动方程,基于试验对比验证了考察非线性因素的必要性与运动微分方程的准确性。在此基础上,分析汽流激振力作用下不同非线性动态特性系数对转子运动特性与稳定性的影响。结果表明：系统中的非线性动态特性会改变转子不同类型的混沌运动区域与位移,使1/2、1/3、2/3工频的出现范围及幅值改变,密频现象增加;耦合热、动载荷后高负荷区域转子位移减小。对比Lyapunov指数,考虑非线性动态特性后其均值有所上升;合理的非线性刚度能够改善系统的稳定性,高非线性阻尼值能提高系统稳定性;耦合热、动载荷后的系统高负荷运行时更稳定。     

转子-滑动轴承系统动力学相似性研究

针对转子-滑动轴承系统缩比模型与原型是否满足动力学相似的问题,采用量纲分析法建立了考虑陀螺力矩和滑动轴承非线性油膜力的转子-轴承系统相似准则,确立了模型与原型各物理量相似比。理论研究表明,通过采用模化转子滑动轴承静载荷补偿措施,可使转子-轴承系统满足动力学相似要求。补偿处理后的模型和原型转子系统的临界转速、失稳转速、不平衡响应均具有相似性。并通过算例对比分析转子几何比、材料密度模化比和弹性模量模化比对轴系不平衡响应特性相似性的影响规律,验证了所推导的转子动力学相似准则的正确性。     

含转轴裂纹的离心叶轮转子非线性动力学特性研究

建立了带有裂纹故障的的不平衡离心叶轮转子在非线性横向流体激振力和非线性轴承油膜力作用下的横向振动力学模型,并推导了系统的无量纲运动微分方程。运用数值积分法对系统的分岔特性进行了仿真。最后分析了横向流体激振力以及裂纹深度对离心叶轮系统动力学性能的影响。     

基于超磁致伸缩驱动器的油膜轴承-转子系统的稳定性研究

以超磁致伸缩驱动器(GMA)油膜轴承-柔性转子系统为研究对象,计入轴承质量和转子刚度建立了包括GMA磁滞伸缩力模型在内的动力学方程,利用Routh-Hurwitz准则,推导了GMA油膜轴承所支承的单质量弹性对称转子系统的稳定性判据。考察了驱动GMA的反馈电流的相位角和电流大小、转子刚度、转子质量和轴承质量对系统失稳转速的影响。结果表明,反馈电流的相位角对系统失稳转速影响很大,存在一个最佳值,使系统的失稳转速最高,系统稳定性最佳,并随着反馈驱动电流和转子刚度的增大,失稳转速明显增大;随着转子质量的增加,系统的失稳转速也是增加的,而轴承的质量对系统的失稳转速影响不大。计算结果在GMA油膜轴承-转子系统整体建模方面有一定的意义。     

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。     

基于模态振型分析的大型汽轮机低压转子高速动平衡方法

针对目前传统影响系数法难以平衡某些大型汽轮机低压转子的难题,提出一种基于模态振型分析的大型柔性转子高速动平衡方法。在分析汽轮机转子系统结构的基础上,综合考虑了动平衡机摆架轴承座的动力特性,采用基于有限元的转子轴承动力学分析商业软件DyRoBeS建立了转子-轴承-摆架系统模型,分析转子系统临界转速和振型,从而根据转子的模态振型,结合柔性转子影响系数平衡法要点,设计合理的平衡工艺,有针对性的选择平衡校正面和平衡转速点,采取逐阶次平衡的方法,实现这类大型特殊柔性转子的动平衡。最后以哈汽产的66万千瓦大型汽轮机低压转子高速动平衡试验为例,应用结果表明采用该方法能有效平衡大型柔性转子,且减少了起机次数,节省了平衡费用。     

转子—密封系统非线性动力学特性分析

在超临界汽轮机和超超临界汽轮机中,气流激振力对系统影响显著。因此,本文研究了气流激振力对转子－密封系统动力学特性的影响,采用Muszynska密封模型建立转子－密封系统非线性动力学方程,利用Floquet理论研究系统周期解稳定性,根据系统的周期响应、频谱图、Poincaré映射图、分岔图,分析了系统在特定转速及特定转子系统参数下的非线性动力学特性。     

花键联轴器对转子-轴承系统稳定性影响研究

推导了松配合矩形花键联轴器考虑脱开临界状况的啮合力模型,基于有限元法建立了考虑圆柱瓦滑动轴承非线性油膜力和花键联轴器啮合力作用的转子-联轴器-轴承系统动力学模型,并用数值积分研究了联轴器啮合力对转子-轴承系统稳定性的影响规律.研究结果表明:花键联轴器的横向刚度对其连接的转子-轴承系统发生油膜振荡的失稳转速影响较小,而转角刚度影响较大;对于松配合花键联轴器,如果不考虑其转角刚度,用线性化的啮合刚度模化联轴器得到的转子-轴承系统的失稳转速要高于用力模化的系统的失稳转速;因此,工程用线性刚度代替啮合力模化联轴器将掩盖系统真实的失稳转速,这种简化对转子系统运行来说是不安全的.研究结果为获得转子-花键联轴器-轴承系统真实的失稳转速提供理论依据,研究思路对其他类型联轴器动力学建模具有借鉴意义.     

轴承/密封耦合作用下流体激振特性研究

以转子—轴承—密封系统为对象,建立轴承/密封耦合作用对系统动力特性影响的有限元模型。分别应用有限差分和CFD方法对轴承、密封动力特性系数进行求解。理论研究表明密封对转子不平衡响应的影响主要集中在共振区域。通过在密封入口引入负预旋可以提高系统的稳定性,密封气流力对系统稳定性影响随转速的升高也越来越大。通过选择合适的轴承型式可以补偿密封气流力对系统稳定性带来的不利影响。试验发现随着转速增加,试验转子在5 000 r/min附近时开始出现比较明显的半频分量,而且随着转速继续增加,半频分量的幅值变大。密封流体激振力的存在促进轴承内油膜失稳故障发生,影响系统稳定性。     

大前进比变转速旋翼气弹动力学建模与载荷特性分析

针对大前进比变转速旋翼气弹动力学问题开展分析研究。基于Hamilton原理以及中等变形梁理论建立旋翼动力学方程,并针对大反流区气动力计算方法和大前进旋翼气弹配平计算方法进行修正,集成考虑大前进比的旋翼气弹计算模型。在旋翼动力学模型的验证基础上,开展大前进比下变转速旋翼气弹动力学计算分析。通过计算桨叶剖面气动和结构载荷表明:随着前进比增加,反流区内桨叶剖面出现周期交变的脉冲式法向力和气动力矩;桨叶挥舞、摆振弯矩随转速降低而增加,且在接近共振转速频率时挥舞和摆振弯矩明显增加。提取桨叶结构载荷中的气动部分,表明脉冲气动力会带来显著的气动部分变化。     

基于电磁自愈力的转子自动平衡方法与实验研究

本文提出一种转子同频（基频）振动的在线消除策略,该策略利用电磁力执行机构给转子施加一个和转子转速同频率的旋转矢量电磁力,该力在转子测振平面上引起的振动用于抵消转子的初始振动,从而实现同频振动的在线消除。本研究首先对转子同频振动及电磁力可控特性进行分析;接着对系统进行理论分析,在此基础上建立了以转子振动响应为指标、磁极线圈电流幅值和相位为寻优参数的寻优控制模型,并提出相位整周搜寻算法;运用Matlab /Simulink软件对算法进行仿真分析;最后建立试验装置并进行实验研究,结果表明本文提出的控制策略可以有效降低转子同频振动。     

基于磁力等效原理的刚性磁悬浮转子系统高精度在线动平衡

针对磁悬浮飞轮转子不平衡振动问题,提出了一种在线动平衡方法。其基于磁轴承控制作用力与转子不平衡离心力之间的等效原理,通过检测磁轴承的控制作用力解算转子不平衡校正质量。设计了零位移控制器,使转子绕几何轴旋转,此时磁轴承的控制作用力与控制电流呈线性关系,通过测量控制电流来准确获得磁轴承的控制作用力。该方法消除了传统方法由动力学模型过度简化带来的误差,尤其适用于强陀螺效应的扁平型刚性磁悬浮转子系统。实验验证了该方法的有效性,对提高磁悬浮转子系统的动平衡精度具有实际意义。     

预紧力与粗糙度对拉杆弯曲振动特性影响的研究

微小型涡喷发动机的离心叶轮轴向长度相比转轴长度不可忽略,可将其看作拉杆转子结构。为研究该拉杆转子结构的弯曲振动特性,建立了包含连接面的简支梁数学模型,应用结合面接触分形理论,推导了预紧力、粗糙度对拉杆弯曲振动特性的数学关系。通过算例研究,得出了预紧力、粗糙度对拉杆弯曲振动特性的影响趋势。结果表明:连接面所需的最小预紧力随着粗糙度的增加呈指数增长;仅考虑连接面刚度变化的情况下,拉杆固有频率与对数坐标下的预紧力之间呈S型曲线关系,粗糙度值越大,S曲线的潜伏期越长;同时考虑预紧力对连接面刚度和拉杆抗弯刚度的影响,当粗糙度较小时,拉杆固有频率随预紧力上升而上升;粗糙度较大或预紧力较大时,拉杆固有频率随预紧力上升而下降。     

拉杆松弛对燃气轮机组合转子性能退化的影响

 组合转子作为燃气轮机的核心部件,其性能退化将对整个燃气轮机的性能产生重大影响,揭示组合转子性能退化机理并进行退化特征分析对燃气轮机的可靠运行具有重要意义．为揭示组合转子结构损伤导致的性能退化机理,考虑拉杆螺栓在高温下的应力松弛,得到基于时间历程的拉杆预紧力变化规律;通过拉杆预紧力定义组合转子退化量指标,评估组合转子的退化程度;计算轮盘界面接触刚度,进行考虑接触界面的组合转子动力学分析,进而得到燃气轮机组合转子不同退化量下的动力学特征．结果表明：温度是影响组合转子性能退化的敏感参数;拉杆松弛导致组合转子固有频率漂移,组合转子前3阶固有频率的降低率相差很小,并在一定范围内与退化量呈线性关系．     

发电机碳刷多点全周摩擦引起的不稳定振动分析

以发电机碳刷与转轴之间发生的摩擦振动为对象,研究这类特殊周向多点全周摩擦振动机理。根据碳刷工作原理,建立多点全周摩擦力计算模型,采用热弹性力学方法建立摩擦截面温度场和转子热弯曲计算模型,将热弯曲模型与转子振动有限元模型耦合求解振动响应。以某发电机为例进行分析,仿真分析和试验研究了碳刷轴全周摩擦振动特征。研究表明,发电机碳刷与转轴之间的多点全周摩擦会引发振动周期性波动和爬升,不稳定现象与不平衡力、碳刷-转轴不同心度和碳刷摩擦因数有关,可以通过精细动平衡、适当增大碳刷-转轴不同心度和减小碳刷摩擦因数来消除。     

一种用于非圆异形孔加工的电磁驱动机构及控制方法研究

研究了用于非圆异形孔加工的电磁驱动机构及控制方法。为了对镗杆施加径向随动作用力,研制了由电磁定子和电磁转子组成的回转式电磁驱动机构。当改变定子线圈中的控制电流时,可以改变电磁定子与电磁转子之间的电磁驱动力,进而带动镗刀做径向微位移。通过电磁驱动力在静态工作点附近的线性化,建立了电磁驱动力与控制电流之间的线性关系,分析了实现电磁驱动力同步控制的方法。对电磁驱动机构进行了动态模拟试验,试验结果表明,随着转子的转动,在转子与定子之间可以形成一个同步旋转的电磁驱动力,实现镗杆中心的径向可控微位移。因此采用本文提出的回转式电磁驱动机构加工非圆异形孔是可行的。     

Influence on the stability of generator rotors due to radial and tangential magnetic pull force

Forces due to nonuniform airgaps in rotating electrical machines have been a research topic for over 100 years. However, most research in the area of rotating electrical machines has been performed on motors. Large forces in hydropower generators can lead to expensive damage and failures. Therefore, it is of interest to calculate the forces that arise in a large synchronous generator with an eccentric rotor and study the influence these forces have on the stability of the generator rotor. A 74 MVA synchronous hydropower generator was simulated with an eccentric rotor, using a time-stepping finite-element technique. The forces were calculated using Coulomb's virtual-work method and simulations were performed for no-load and load cases. The resulting force was found to be reduced significantly when a damper winding was taken into account. An interesting effect of the rotor damper winding was that it reduced the eccentricity force and introduced a force component perpendicular to the direction of eccentricity. The results from the finite-element simulations were used to determine how the forces affect the stability of the generator rotor. Damped natural eigenfrequencies and damping ratio for load and no-load conditions are presented. When applying the forces computed in the time-dependent model, the damped natural eigenfrequencies were found to increase and the stability of the generator rotor was found to be reduced compared with when the forces were computed in a stationary model.     

Dynamical Analysis of Rub-impact Rotor System with Asymmetric Oil Film Force

Considering the effect of non-symmetry film force,nonlinear stiffness and nonlinear friction force,a dynamical model of rub-impact rotor system is established,then the nonlinear dynamical behavior is studied by numerical analysis method.The effect of rotation speed,nonlinear stiffness ratio and speed effect factor on brifurcation and chaotic behavior for rub-impact rotor system is comprehensively analyzed.The analysis results show that the effect of non-symmetry film force,nonlinear stiffness and nonlinear friction force on the dynamical behavior of the rotor system has close relation with rotation speed.The chaotic behavior exists in a wider parameter region,and the chaotic evolution rule is more complicated.The research provides a reliable theory basis and reference for diagnosing some faults of the rotor system.     

Finite element analysis of relative shaft vibrations of two-pole induction motors with static rotor eccentricity

The paper shows a computational methodology for calculating the relative shaft vibrations in the sleeve bearings of two-pole induction machines regarding excitation due to an electromagnetic force, which is caused by static rotor eccentricity. For a worst case calculation concerning the height of exciting magnetic force electromagnetic field damping effects and magnetic resistance concerning the homopolar flux are neglected. The calculated magnetic force, acting on the rotor core with double supply frequency in direction of the smallest air gap, is implemented into a finite element rotor dynamic model. With this model the influence of the rotor speed as well as influence of the direction of the magnetic force on the relative shaft displacements can be analyzed. Therefore the paper shows a computational methodology to check, whether the rotor-bearing design is sensitive for electromagnetic excitations due to static rotor eccentricity and prepares therefore the possibility to introduce improvements during the design phase of the induction motor.