文档介绍：博士学位论文
叶片-转子-轴承耦合系统的
非线性动力学特性研究
NONLINEAR DYNAMICAL BEHAVIORS OF THE
COUPLING BLADE-ROTOR-BEARING SYSTEM
王立刚
2009 年 1 月
国内图书分类号:TH133 O322 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学博士学位论文
叶片-转子-轴承耦合系统的非线性动力学
特性研究
博士研究生:王立刚
导师:黄文虎院士
副导师:曹登庆教授
申请学位:工学博士
学科:一般力学与力学基础
所在单位:航天学院
答辩日期:2009 年 1 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TH133 O322
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
NONLINEAR DYNAMICAL BEHAVIORS OF THE
COUPLING BLADE-ROTOR-BEARING SYSTEM
Candidate: Wang Ligang
Supervisor: Prof. Huang Wenhu
Associate Supervisor: Prof. Cao Dengqing
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Generally Mechanics and
Foundations of Mechanics
Affiliation: School of Astronautics
Date of Defence: January, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
随着近代旋转机械的设计向高转速、轻柔结构的趋势发展,叶
片和转子的柔性在许多特定的情况下处于同一量级。高转速的转子
系统常常处于超临界运动状态,低转速时可以视为刚性的旋转部件,
高转速时必须考虑为弹性部件参与耦合振动。因此,在研究高转速
转子系统的动力学行为时,不能再将叶片和转轴分开考虑,而是要
建立更为精确的考虑叶片和转轴耦合效应的动力学模型。
另一方面,随着旋转机械机组容量的增大和设计参数的提高,
非线性因素对系统动力学性能的影响也越来越显著。轴承作为旋转
机械必不可少的结构之一,其中的油膜力是转子系统重要的非线性
激励源。而非线性油膜力引发的油膜涡动和油膜振荡是转子系统较
常见的故障。因此有必要建立由叶片、转子和轴承构成的耦合非线
性动力学模型,并应用现代非线性动力学理论研究该系统的分岔、
混沌等非线性动力学特性。
本文针对航空发动机、燃气轮机等大型旋转机械设计制造中存
在的问题,建立了叶片-转子-轴承耦合系统的非线性动力学模型,
利用该模型研究了叶片、转子和轴承的耦合动力学特性,取得了一
些创新性成果。具体的研究内容和成果有:
采用 Lagrange 方程建立了叶片-转子-轴承耦合系统的非线性
动力学模型。利用集中质量法将转子系统离散,为分析叶片对转子
的惯性效应并考虑系统的时变性,将叶片模化为单摆模型。为将模
型简化,首先,应用正交变换将与转子横向运动发生耦合的叶片 1-
节径运动和叶片其它节径运动解耦,从而将耦合的非线性系统由
82(+≥nn 3)个自由度降低至 12 个自由度,同时得到了 2n-4 个描述叶
片 k-节径(1)k ≠运动的相互独立的线性微分方程。然后,利用周期变
换将耦合时变微分方程转化为常系数微分方程。在两次变换后,获
得了一个含有 12 个自由度的常系数耦合非线性方程组和 2n-4 个相互
独立的线性微分方程。这个降维方法即保留了叶片和转子之间的耦
合效应,又降低了非线性微分方程组的维数,提高了耦合系统的求
I
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
解效率,为高效准确地分析系统的非线性动力学特性奠定了基础。
当采用刚性转子假设时,叶片-刚性转子-轴承系统非线性动
力学模型的自由度数进一步降至 4。利用短轴承非线性油膜力模型获
得非线性油膜力。对耦