弹性环挤压油膜阻尼器-转子系统动力学特性研究

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弹性环式挤压油膜阻尼器最早由前苏联工程师设计,因具有良好的减振、调频和抑制油膜非线性的能力,已经被应用于航空发动机中并被我国引进。随着新一代航空发动机、燃气轮机、高速离心机和飞轮储能系统对振动控制要求的提高,这种阻尼器具有广阔的应用前景。但由于对弹性环和油膜之间的耦合作用机理、等效油膜系数的测量和预测、两相流的影响以及弹性环式挤压油膜阻尼器对转子动力学响应的影响等方面尚缺乏足够的理论支撑与实验积累,所以限制了该型阻尼器的改进和推广。针对此现象本文做了以下工作。(1)基于有限元理论和流体润滑理论提出了一种流固耦合计算方法。并在此基础上,基于短轴承假设提出了一种可大大提升计算效率的半解析方法,通过与数值结果和实验结果对比,验证了该方法的有效性。而后分析了弹性环变形、凸台数量、供油孔、供油压力、内外连接油孔、密封对油膜压力的影响。分别使用小扰动法和参数识别法计算油膜阻尼、刚度和质量系数并分析了结构参数对于油膜系数的影响。(2)结合三种不同的转子动力学模型,提出了弹性环式挤压油膜阻尼器-转子动力学响应的计算方法和半解析方法。然后分析了密封、滚动轴承、涡动半径、涡动转速、外激励、凸台数量、弹性环厚度和油膜厚度等因素对转子动力学响应的影响。结果表明弹性环式挤压油膜阻尼器比传统挤压油膜阻尼器有更好的抑制双稳态响应的能力。(3)搭建了弹性环式挤压油膜阻尼器-转子试验台。实验测量了弹性环变形、内外油膜压力并分析了供油压力、激励频率和涡动半径对油膜压力的影响。通过实验分析了等效油膜阻尼、刚度和质量系数及其受供油压力与涡动转速的影响。结果证明,等效阻尼系数影响最明显,等效质量系数影响大于等效刚度。然后实验分析了系统在不同供油压力下的主共振响应、双稳态响应、超谐响应,并分析了不平衡质量的影响以及润滑油温度的变化。(4)基于均相流理论提出了考虑两相流影响的流固耦合方法,通过与计算流体力学方法的结果对比,验证了该方法的有效性。进而分析了密封、涡动半径、内外连接油孔对两相流分布的影响,以及两相流对于油膜压力、油膜系数和转子动力学响应的影响。最后使用计算流体力学方法分析了弹性环式挤压油膜阻尼器中空化产生与湮灭的过程,以及空化对于油膜压力的影响。结果表明两相流会降低阻尼器的动力学特性,并有可能导致转子出现双稳态响应。
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