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[转子动力学] 转子动力学设计基本知识

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发表于 2019-6-10 10:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  导言
  转子动力学设计是指,在转子动力学理论和一定工程实践的指导下,用计算分析等方法确定转子系统的动力学特性,根据相关的规范和准则对其做出评价,尽可能采取措施提高其动力学特性,并对转子的制造、安装、运作和监测等提出建议。

  设计内容
  转子动力学从大方面说,主要包括转子的横向振动特性和扭转振动特性两方面,具体来说如下:

  1) 横向振动特性—确定转子的的固有频率和临界转速,确定平衡方法和平衡工艺,预估转子的不平衡相应,分析转子的稳定性以及提高稳定性的措施等。

  2)扭转振动特性—确定转子轴系的固有频率,计算工作工况和各种事故 工况下轴系的扭转切应力以便于进行强度设计等。

  设计流程
  转子动力学的设计流程如下图所示。
火狐截图_2019-06-10T02-45-32.623Z.png
  设计流程计算内容
  (1) 临界转速的计算分析主要包括以下内容:
  根据转子的各阶临界转速必须避开工作转速±10%~15%的要求,可以确定支撑刚度应当取值的范围,据此可向支撑和轴承设计部门提出设计要求。

  已知支撑刚度,无需阻尼系数,可以直接计算得到临界转速和初步振型后进行分析,判断是否符合要求。

  如果轴承的支撑刚度和阻尼系数都很全面的话,可以直接进行稳定性的计算。

  (2) 目前,稳定性计算的常用方法是求转子系统的各阶阻尼固有频率。此时,必须有支撑刚度系数和阻尼系数的完整数据。有阻尼固有频率常用复数表示,采用品质因子Q或者对数衰减率δ进行稳定性的判定。分析讨论的重点放在正向进动,反向进动不能被不平衡所激发,较为次要。

  根据各个转速下正向进动的阻尼固有频率绘制Campbell图,各曲线与同步激励线的交点为阻尼临界转速,这是转子的各阶临界转速的预测值。

  (3) 将不平衡质量矩按照一定比例分配到若干个平衡平面上,在0~1.2*n转速范围内作不平衡响应计算,得到转子各个截面的振动预估值。在各平衡平面之间分配不平衡质量矩的数值和相位时,应当参考前几阶临界转速的振型,使得这几阶振型能够被充分地激发起来。

  (4) 对于单个转子来说不必进行扭转振动计算,因为大部分转子的扭转振动固有频率远远高于工作转速。对于由多个转子串联的轴系,扭转振动固有频率会落入工作转速范围内,就必须计算和校核。由于某些电气故障,发电机轴系会被激发起强烈的瞬态扭转振动,危机轴系各轴颈的安全,故设计时应根据电机设计部门提供的故障电磁扭矩,计算轴系的瞬态扭转振动响应,供轴颈强度校核之用。

  设计的方法
  转子动力学的设计方法主要有:逆向设计、相似设计等。其中,逆向设计指的是从产品反向推测出设计思路、设计理念和设计规范的过程,其目的是在消化吸收成熟产品的基础上,经过学习和模仿,以较快的速度和较少的风险,创造出自己的新产品。相似设计是指,在设计新转子时,将技术成熟的转子作为原型机,然后应用相似理论进行缩放,得到一个缩放转子,作为新转子的设计基础。这样可以充分吸收和利用成熟转子的技术,缩短设计周期,降低设计成本,减少设计风险。同时,相似设计在设计转子实验台中也有应用。

  设计相似准则
  (1) 两个比较的现象相似,首先它们之间存在几何相似。
  (2) 两个比较的现象应具有相同的性质,其标志是可以用相同的微分方正式描述,并且方程中一切符号所代表的物理量一样。
  (3) 两个现象的单值性条件相似,并且由单值条件量组成的定型准则相等。即两个现象的时间、空间的边界条件之间存在与方程式同样的相似。

  入门必看的学术著作
  [1] Someya T ed. Journal Bearing Databook, Springer Verlag, 1989.
  [2] 杨俊杰. 相似理论与结构模型试验[M]. 武汉:武汉理工大学出版社, 2005.
  [3] 邱绪光. 实用相似理论[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,1988
  [4] 谈庆明. 量纲分析[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社,2005.
  [5] 徐挺. 相似方法及其应用[M]. 北京:机械工业出版社,1995.
  [6] 邹滋祥. 相似理论在叶轮机械模型研究中的应用[M]. 北京:科学出版社,1984.

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