大间隙环流壁面摩擦及偏心转子静特性研究

基于紊流整体流动模型和Ｍｏｏｄｙ壁面摩擦系数方程简化了大间隙环流三维流非线性偏微分控制方程组,推导了零阶摄动方程并采用数值方法对大间环流中偏心转子静特性进行了深入研究。实例计算结果表明：大间隙环流中转子与以灿承和密封为代表的小间隙环流中转子的静特性有很大同;壁面摩擦系数沿周向变化,同时转子和静子壁面粗糙度以及偏心率对大间隙环流中转子静特性有较大的影响。     

大间隙环流中偏心转子动特性系数的数值分析方法

基于作者用整体流动理论和Moody壁面摩擦系数方程建立的大间隙环流中转子动特性系数数值计算模型,应用摄动方法推导了大间隙环流流场非线性控制方程组的一阶摄动方程,提出了求解大间隙环流中偏心转子动力学特性系数的数值分析方法。用该方法得到的数值结果与已有的解析解和实验结果具有较好的一致性。     

有限长大间隙环流中同心转子动特性系数研究

基于作者建立的大间隙环流中转子运动理论模型,用摄动法推导了有限长大间隙环流流场非线性控制方程的零阶和一阶摄动方程,研究了摄动方程的数值求解方法,并用该数值方法深入研究了有限长大间隙环流中同心转子的动特性系数以及壁面粗糙度、入口压力、长径比和入口预旋等参数的影响,研究结果表明,系统参数对有限长大间隙环流中同心转子动特性系数的影响是流体惯性效应、旋流效应、摩擦耗散效应和Lomakin效应综合影响的因素。     

蜂窝密封动力特性计算方法的改进及应用

针对蜂窝密封的转子动力学特性分析,本文由双控制体模型入手,建立相应的控制方程,将其无量纲化,并通过摄动分析分解为零阶及一阶无量纲方程。通过零阶方程求得定常流场,确定流场是否发生阻塞现象,继而求解一阶方程得到密封的动力特性系数。本文的双控制体模型在蜂窝密封静子和转子表面采用Blasius模型的摩擦系数,且舍弃转子轴心传统的圆轨迹小扰动假设,直接设定为椭圆轨迹小扰动,加之矩阵形式的表达,得到了更为清晰的模型及更为简洁的算法。随后与实验结果相比较,验证模型及计算结果的准确性,并比较一般气体密封的计算结果,体现蜂窝密封在稳定性方面的优越性。最后分析了几种密封参数对其动力特性的影响,揭示某些规律并给出一些建议。     

偏心迷宫密封动静特性研究

建立了不同偏心状态下迷宫密封三维数值分析模型，应用基于微元理论的密封动力特性系数识别方法计算密封静态和动态特性. 结果表明:转子偏心会降低密封抑制流体泄漏的效果；密封腔内周向压力高点随偏心率增大逐渐偏离最小间隙处. 低偏心率(≤ 0.5)下，静态直接刚度K与静态交叉刚度k变化较小，高偏心率(> 0.5)下K和k的绝对值减小. 随着偏心率的增大，密封小间隙侧流动黏性效应增强是产生负静态直接刚度的主要原因. 密封偏心涡动时，低偏心率(< 0.6)下刚度和阻尼系数变化较小，随偏心率和涡动频率的升高直接刚度逐渐变为负值；随偏心率的增大，交叉刚度在正交两个方向上大小不再相等，有效阻尼降低，高偏心率(≥ 0.6)下有效阻尼受偏心率影响更显著.      

碰摩裂纹转子轴承系统的周期运动稳定性及实验研究

根据碰摩裂纹耦合故障转子轴承系统的非线性动力学方程，利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法，研究了系统周期运动的稳定性。研究发现，小偏心量下系统周期运动发生Hopf分岔，大偏心量下系统周期运动发生倍周期分岔，偏心量的加大使周期解的稳定性明显降低；系统碰摩间隙变小，碰摩影响了油膜涡动的形成，使失稳转速有所提高；裂纹深度的加大降低了系统周期运动的稳定性。本文的研究为转子轴承系统的安全稳定运行提供了理论参考。     

环状密封转子动力系数的数值计算

本文以Ｈｉｒｓ紊流润滑方程为基础，应用摄动分析法及数值计算获得了有限长环状密封的转子动力系数，模型中考虑了人口预旋的影响。通过与实验及用有限差分法获得的结果比较，证明本文提出的方法具有一定的实用性。     

环状密封转子动力系数的数值值计算

本文以Ｈｉｒｓ紊流润滑方程为基础，应用摄动分析法及数值计算获得了有限长环状密封的转子动力系数，模型中考虑了入口预旋的影响，通过与实验及用有限差分法获得的结果比较，证明本文提出的方法具有一定的实用性。     

涡轮泵转子-迷宫密封系统的非线性稳定性和分岔

研究迷宫密封对某一工程涡轮泵转子系统动力特性的影响,迷宫密封力采用Muszynska非线性力模型,应用有限元法建立转子系统的动力学方程,采取系统动力学方程中包含的高阶线性自由度和低阶的非线性自由度进行分块处理的方法,有效地缩短了求解时间。根据Floquet理论,判别系统的临界失稳转速,并由Floquet乘子来确定系统失稳后分岔方式。采用分块-Newmark法数值模拟了转子二涡轮盘的轴心轨迹。最后分析了涡轮泵转子二涡轮盘的质量偏心同相位和存在90度相位差时对转子系统运动特性的影响。     

THE FLOW RESISTANCE CHARACTERISTICS OF PERFORATED LINER DUCTS

利用计算流体力学方法对穿孔壁面通道内部流动进行了数值模拟,分析了其流动沿程摩擦阻力特性。计算中,假设流体不通过小孔进出穿孔壁面背后的吸声材料。经实验对比,采用Realizable k--" 湍流模型结合增强型壁面函数,可获得比较理想的计算结果,数值模拟与实验测量的压损值相对偏差在10% 以内。对于穿孔壁面通道流动阻力计算,提出了等效粗糙度概念,结合达西公式、克罗布鲁克公式计算获得了等效粗糙度数值。研究了穿孔板小孔孔径、穿孔率对等效粗糙度的影响,发现等效粗糙度与孔径成二次方关系、与穿孔率成线性关系。     

具有封严蓖齿转子系统的动力稳定性分析

封严蓖齿的气弹力对转子系统的稳定性起重要作用，本文建立了具有封严蓖齿的转子系统动力稳定性的分析方法，该方法利用传递矩阵法建立系统的主导方程，将封严蓖齿的气弹力以等效刚度及等效阻尼系数的方式引入转子系统的主导方程，用数值积分法解主导方程，求得系统的动力特性，根据扰动解判断系统的稳定性。本文所建立的分析软件，也可计算转子系统的不平衡响应、临界转速、突加不平衡响应等。文中对一模型转子进行了算例分析。     

密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下获得了气膜动态特性系数;基于动力学相关知识,在考虑转轴轴向振动的情况下,利用气膜轴向动态刚度和阻尼系数分别求解了静环挠性安装、动环挠性安装和两环均挠性安装的干气密封挠性环运动方程.在不同轴向激励振幅、激励频率、挠性环质量、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼下分别研究了三种典型结构干气密封动态追随性并进行了对比分析.结果表明:当轴向激励频率较高或挠性环质量较大时,静环挠性安装干气密封在刚受到外界激励时膜厚突变相对严重,动态追随性较差;在轴向激励频率较低且挠性环质量较小时,静环挠性安装干气密封相比动环挠性安装干气密封表现出更好的动态追随性;在三种密封环挠性安装形式中,两环均挠性安装干气密封动态追随性最好,且具有绝对优势.     

考虑定子质量和碰摩面刚度的转子/定子系统碰摩响应的全局动力学特性研究

对考虑定子质量和碰撞面刚度的四自由度转子/定子模型的全局响应特性进行了研究。首先,通过解析方法确定了无碰摩响应的边界,然后,求解了同频全周碰摩解并进行了稳定性分析得到了同频全周碰摩响应的区域。在此基础上,利用非线性动力学分析的数值方法,确定了准周期局部碰摩与反向涡动失稳的边界,由此得出了参数平面内的不同碰摩响应的稳定区域图。进而研究了定子与转子质量比和碰撞面刚度对碰摩全局响应特性的影响,得到了不同碰摩响应共存及随系统参数变化的典型全局响应分岔图。     

螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下分析了螺旋槽结构参数对气膜动态特性系数的影响规律;基于动力学相关知识,在考虑动环轴向振动和角向偏摆的情况下建立了挠性安装静环运动方程,分析了膜厚的扰动行为,同时在考虑轴向和角向气膜扰动的共同作用下,提出以端面膜厚最大扰动量峰值和扰动稳定时间作为表征密封动态追随性的参数,并以此作为目标函数对螺旋槽结构参数进行优化.结果表明:在不同的高压条件下,当槽台宽比κ取0.9~1.5,槽坝比δ取1.8~2.4,螺旋角φ取18~24°,槽深h_g取6~8μm时,螺旋槽干气密封具有较好的动态追随性;在动态特性系数中主动态刚度对密封动态追随性的影响最大.     

Influence of leakage flow through labyrinth seals on rotordynamics: numerical calculations and experimental measurements

An extensive investigation of the influence of the leakage flow through a labyrinth seal at supply pressure of 12 bar on the rotordynamics was performed by using numerical calculations and experimental measurements. Toward this end, an experimental rotor setup was established in Shanghai Jiao Tong University. Two labyrinth seals were chosen for comparison, e.g., an interlocking seal and a stepped one. The numerical calculations based on the bulk-flow theory and the perturbation analysis were accomplished. Simultaneous acquisitions of the fluctuating static pressure at the stator wall and the displacement of the whirling rotor were made. The influence of the aerodynamic forcing on the rotor was analyzed in terms of the axial distribution of the mean static pressure, the circumferential distribution of the fluctuating pressure, the fist critical speed and the destabilization rotating speed of the rotor. The experimental results demonstrated that the sinusoidal distribution of the fluctuating static pressure on the stator wall was closely related to the whirling motion of the rotor. The first critical speed of the rotor was reduced by the aerodynamic forcing, resulting in intensified destabilization of the rotor system. Furthermore, the numerical analyses were in good agreement to the experimental measurements.     

Local convective heat transfer for laminar and turbulent flow in a rotor-stator system

Abstract The aim of this work is to show a better comprehension of the flow structure and thermal transfer in a rotor-stator system with a central opening in the stator and without an airflow imposed. The experimental technique uses infrared thermography to measure the surface temperatures of the rotor and the numerical solution of the steady-state heat equation to determine the local heat transfer coefficients. Analysis of the flow structure between the rotor and the stator is conducted by PIV. Tests are carried out for rotational Reynolds numbers ranging from 5.87×10⁴ to 1.4×10⁶ and for gap ratios ranging from 0.01 to 0.17. Analysis of the experimental results has determined the influence of the rotational Reynolds number, the gap ratio and systems geometry on the flow structure, and the convective exchanges in the gap between the rotor and the stator. Some correlations expressing the local Nusselt number as a function of the rotational Reynolds number and the gap ratio are proposed.     

Magnetic field effects on the nonlinear vibration of a rotor

The nonlinear vibration of a rotor operated in a magnetic field with geometric and inertia nonlinearity is investigated. An asymmetric magnetic flux density is generated,resulting in the production of a load on the rotor since the air-gap distribution between the rotor and the stator is not uniform. This electromagnetic load is a nonlinear function of the distance between the geometric centers of the rotor and the stator. The nonlinear equation of motion is obtained by the inclusion of the nonlinearity in the inertia, the curvature, and the electromagnetic load. After discretization of the governing partial differential equations by the Galerkin method, the multiple-scale perturbation method is used to derive the approximate solutions to the equations. In the numerical results, the effects of the electromagnetic parameter load, the damping coefficient, the amplitude of the initial displacement, the mass moment of inertia, and the rotation speed on the linear and nonlinear backward and forward frequencies are investigated. The results show that the magnetic field has significant effects on the nonlinear frequency of oscillation.