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题名

基于流固耦合的弹性环式挤压油膜阻尼器动力特性研究

其他题名
Dynamic Characteristics of Elastic Ring Squeeze Film Damper based on Fluid-Structure Coupling
姓名
姓名拼音
LI Hongda
学号
12132399
学位类型
硕士
学位专业
0801 力学
学科门类/专业学位类别
08 工学
导师
任光明
导师单位
力学与航空航天工程系
论文答辩日期
2024-05-10
论文提交日期
2024-06-27
学位授予单位
南方科技大学
学位授予地点
深圳
摘要

相比于传统挤压油膜阻尼器(Squeeze Film DamperSFD),弹性环式 压油膜阻尼器(Elastic Ring Squeeze Film DamperERSFD)有助于抑制油膜非线性特性,降低转子-支承系统的振动。目前对 ERSFD 动力特性的研究大多采用单向流固耦合方法,而更接近 ERSFD 实际情况的双向流固耦合方法则少有报道;又因测试手段、有限空间等问题,对 ERSFD 油膜压力分布的试验研究也较少。针对这两方面,本文开展了如下研究:

利用 ANSYS 软件,基于双向流固耦合理论和分析方法,结合 ERSFD的结构特点以及工作情况,建立了 ERSFD 双向流固耦合流程和模型。仿真研究不同参数变化时 ERSFD 内外油膜压力分布以及弹性环变形情况,分析了不同偏心率,弹性环凸台数量、宽度和高度,以及阻尼孔半径、位置和数量等因素对 ERSFD 动力特性的影响。搭建了带 ERSFD 的转子-支承系统动力学试验台,建立了转子-支承系统有限元模型,分别对不同不平衡量下转子动力响应进行试验和仿真研究。

结果表明,内油膜动力特性受到凸台个数和进油孔个数的共同影响;当凸台数量较少时,其周期性受凸台个数影响较大,周期数与凸台个数一致;当凸台数量较大时,其周期性受进油孔个数影响较大,周期数与进油孔个数一致。相比阻尼孔参数,偏心率和弹性环凸台参数对内油膜刚度影响较大。对于外油膜,外油膜的动力特性呈现的周期性主要受进油孔个数的影响,其周期数与进油孔个数一致。当偏心率越小、凸台宽度越小或高度越大、阻尼孔半径越大、数量越多或离端部越远,外油膜刚度有降低趋势。ERSFD 的内外油膜阻尼与偏心率、阻尼孔数量及孔径呈现正相关,与凸台高度、阻尼孔距离轴向端部位置呈现负相关,而凸台数量、凸台宽度影响下油膜阻尼系数则先减小后增大。试验与仿真结果对比发现,随着不平衡量的增大,转子系统的一阶临界转速基本不变,而振动幅值不断变大。

流固耦合仿真计算能较好地模拟油膜正压分布,而在负压处有一定差异。

综上,建立的 ERSFD 双向流固耦合计算方法以及带 ERSFD 的转子-支承系统动力试验和油膜压力测量方法,为 ERSFD 的优化设计和减振技术提供新的研究方法和技术支持。

 

关键词
语种
中文
培养类别
独立培养
入学年份
2021
学位授予年份
2024-05
参考文献列表

[1] 廖明夫. 航空发动机转子动力学[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2015.
[2] 刘大响, 陈光. 航空发动机:飞机的心脏[M]. 北京: 航空工业出版社, 2003.
[3] 陈予恕, 张华彪. 航空发动机整机动力学研究进展与展望[J]. 航空学报, 2011, 32(08): 1371-1391.
[4] ERTAS B, DELGADO A. Compliant Hybrid Gas Bearing Using Modular Hermetically Sealed Squeeze Film Dampers[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2018, 141(2)
[5] HAN Z, DING Q, ZHANG W. Dynamical analysis of an elastic ring squeeze film damper-rotor system[J]. Mechanism and Machine Theory, 2019, 131: 406-419.
[6] MOHAN S, HAHN E J. DESIGN OF SQUEEZE FILM DAMPER SUPPORTS FOR RIGID ROTORS[J]. Journal of Engineering for Industry-Transactions of the Asme, 1974, 96(3): 976-982.
[7] 闻邦椿. 高等转子动力学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.
[8] COOPER S. Preliminary investigation of oil films for control of vibration[J]. Lubrication and Wear Convention, 1963: 305-315.
[9] ADILETTA G, PIETRA L. The squeeze film damper over four decades of investigations. Part II: Rotordynamic analyses with rigid and flexible rotors[J]. Shock and Vibration Digest, 2002, 34: 97-126.
[10] HOLMES R. The Non-Linear Performance of Squeeze-Film Bearings[J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 1972, 14(1): 74-77.
[11] HOLMES R. The Control of Engine Vibration Using Squeeze Film Dampers[J]. Journal of Engineering for Power, 1983, 105(3): 525-529.
[12] SAN ANDRE´S L, VANCE J M. Effects of Fluid Inertia and Turbulence on the Force Coefficients for Squeeze Film Dampers[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1986, 108(2): 332-339.
[13] VANCE J M. Rotordynamics of Turbomachinery[M]. John Wiley & Power, 1988.
[14] VANCE J M, KIRTON A J. Preliminary Investigation of the Dynamic Force Response Coefficients for Squeeze Film Bearing Dampers [C].Durham,North Carolina: University of Florida, 1974.
[15] 刘庆明, 庞志成. 挤压油膜阻尼器力学特性研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 1994(03): 104-108.
[16] 陈照波, 焦映厚, 陈明, 等. 挤压油膜阻尼器转子系统非线性动力特性分析[J]. 推进技术, 2001(01): 33-35.
[17] NEADKRATOKE T. Numerical Investigation of Flow Fields and Forces for 2-D Squeeze Film Dampers[D]. Texas: Texas A&M University, 2011.
[18] 崔颖, 罗乔丹, 邱凯, 等. 涨圈密封挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性[J]. 航空动力学报, 2021, 36(12): 2474-2481.
[19] SESHAGIRI S. Identification of force coefficients in two squeeze film dampers with a central groove[D]. Texas: Texas A&M University, 2011.
[20] MOJICA L P M. Experimental dynamic forced performance of a centrally grooved, end sealed squeeze film damper[D]. Texas: Texas A&M University, 2011.
[21] SAN ANDRéS L, SESHAGIRI S. Damping and Inertia Coefficients for Two End Sealed Squeeze Film Dampers With a Central Groove: Measurements and Predictions[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2013, 135(11)
[22] SAN ANDRéS L, KOO B, JEUNG S-H. Experimental Force Coefficients for Two Sealed Ends Squeeze Film Dampers (Piston Rings and O-Rings): An Assessment of Their Similarities and Differences[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2018, 141
[23] 周海仑, 冯国全, 张明, 等. 挤压油膜阻尼器油膜阻尼系数识别及分析[J]. 中国机械工程, 2016, 27(15): 2015-2020.
[24] 刘展翅, 廖明夫, 丛佩红, 等. 静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性影响实验研究[J]. 推进技术, 2016, 37(08): 1560-1568.
[25] 周明. 弹性环式挤压油膜阻尼器理论与实验研究[D]. 北京:北京航空航天大学, 1996.
[26] 曹磊, 高德平, 江和甫. 弹性环式挤压油膜阻尼器设计因素研究[J]. 燃气涡轮试验与研究, 2006(04): 30-34.
[27] 曹磊, 高德平, 江和甫. 弹性环挤压油膜阻尼器-转子系统临界转速特性[J]. 推进技术, 2008, No.158(02): 235-239.
[28] XU Y, CHEN X, ZOU J, et al. Influence of orifice distribution on the characteristics of Elastic Ring Squeeze Film Dampers for Flywheel Energy Storage System [C]. 16th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, 2012.
[29] ZHANG W, DING Q. Elastic ring deformation and pedestal contact status analysis of elastic ring squeeze film damper[J]. Journal of Sound and Vibration, 2015, 314-327.
[30] DILIGENSKIY D S, NOVIKOV D K. Studying of Manufacturing Tolerance Influence on the Performance of GTE Rotor Elastic Rings[J]. Procedia Engineering, 2017, 176: 483-497.
[31] CHEN W, CHEN S, HU Z, et al. A novel dynamic model for the spiral bevel gear drive with elastic ring squeeze film dampers[J]. Nonlinear Dynamics, 2019, 98(2): 1081-1105.
[32] 秦源杰, 刘宾宾, 尹必峰, 等. 弹性环结构参数对ERSFD动力系统特性的影响[J]. 航空动力学报, 2022: 1-10.
[33] 杨小民, 杨海生, 崔永存, 等. 薄环-紊动射流小孔挤压油膜阻尼器压力特性[J]. 振动与冲击, 2023, 42(09): 151-160.
[34] YANG X, JIANG B, LI Y, et al. Dynamic characteristics of elastic ring squeeze film damper coupled high-speed ball bearings[J]. Journal of Sound and Vibration, 2022, 537: 117186.
[35] YANG X, YANG H, CUI Y, et al. Pressure performance for a thin-walled ring and turbulent-jet orifice modeled elastic squeeze film damper[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2022, 35(11): 235-251.
[36] YANG X, XIANG Y, JIANG B. On multi-fault detection of rolling bearing through probabilistic principal component analysis denoising and Higuchi fractal dimension transformation[J]. Journal of Vibration and Control, 2022, 28(9-10): 1214-1226.
[37] YANG X, JIANG B, LI Y, et al. Dynamic Characteristics of Elastic Ring Squeeze Film Damper Oscillated by Bearing Contact Force[J]. Journal of Vibration Engineering & Technologies, 2024, 12(1): 433-455.
[38] GUOYING P, SHUQIAN C, YUSHU C, et al. Study on the Semi-numerical and Semi-analytical Solutions of the Dynamics Equation of an Aero-engine Rotor System with ERSFD[J]. Journal of Vibration Engineering & Technologies, 2023, 11(4): 1443-1461.
[39] 洪杰, 邓吟, 张大义. 弹性环式挤压油膜阻尼器动力设计方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2006(06): 649-653.
[40] 苏春峰. 弹性环式挤压油膜阻尼器动力特性研究[D]. 沈阳:沈阳航空工业学院, 2009.
[41] WANG Z, XU N, YU X, et al. The Dynamic Characteristic Analysis of Elastic Ring Squeeze Film Damper by Fluid-Structure Interaction Approach [C]. ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, 2017.
[42] NOVIKOV D K, DILIGENSKII D S. The Development of A Squeeze Film Damper Parametric Model in the Context of a Fluid-structural Interaction Task[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018, 302(1): 012008.
[43] NOVIKOV D K, DILIGENSKY D S. The coupled model of the squeeze film damper with elastic rings taking into account fitting value [C]. 2020 International Conference on Dynamics and Vibroacoustics of Machines (DVM), 2020.
[44] 江志敏, 高雄兵, 张鹏. 弹性环式挤压油膜阻尼器流固耦合计算[J]. 航空发动机, 2019, 45(05): 26-30.
[45] 王震林. 弹性环式挤压油膜阻尼器动力学特性研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2019.
[46] 张晨帅. 弹性环式挤压油膜阻尼器流固耦合动力学特性研究[D]. 沈阳:沈阳航空航天大学, 2019.
[47] 周海仑, 张晨帅, 艾延廷, 等. 弹性环式挤压油膜阻尼器的流固耦合建模及动力特性分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(20): 195-205.
[48] 周松江, 赵行明, 李光辉. 弹性环-挤压油膜系统双稳态和临界转速 [C]. 中国航空学会航空百年学术论坛动力学分论坛, 2003.
[49] 曹磊. 组合弹性支承—阻尼系统动力特性理论及试验研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2007.
[50] 李兵, 程定春, 江志敏. 弹性环式挤压油膜阻尼器-转子系统动力特性试验研究[J].燃气涡轮试验与研究, 2015, 28(04): 19-22.
[51] 张微. 两相流挤压油膜阻尼器—转子系统动力学特性理论及实验研究[D]. 天津:天津大学, 2017.
[52] 王晓娟, 韩知非, 丁千, 等. 流体惯性对弹性环式挤压油膜阻尼器-转子系统动力特性的影响[J]. 航空动力学报, 2018, 33(12): 2981-2990.
[53] 张力豪, 何立东, 陈钊, 等. 整体式弹性环挤压油膜阻尼器结构设计与转子过临界实验研究[J]. 振动与冲击, 2019, 38(18): 72-78+108.
[54] THENNAVARAJAN S, KULKARNI S, MANIKANDAN L P, et al. ExperimentalEvaluation of Elastic Ring Squeeze Film Dampers for Small Gas Turbine Engine [C]. National Aerospace Propulsion Conference, Singapore, 2021.
[55] SUN K, LUO Z, LI L, et al. Dynamic analysis of the variable stiffness support rotor system with elastic rings[J]. Nonlinear Dynamics, 2022, 110(1): 201-217.
[56] 李岩, 廖眀夫, 王四季. 配合关系对弹性环式挤压油膜阻尼器减振特性的影响[J]. 振动与冲击, 2020, 39(11): 232-238.
[57] 赵璐, 廖明夫, 王四季, 等. 弹性环式挤压油膜阻尼器减振实验研究[J]. 推进技术, 2021, 42(05): 1129-1137.
[58] 孙凯, 罗忠, 李雷, 等. 带弹性环式挤压油膜阻尼器转子系统装配特性及试验研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(23): 118-131.
[59] 韩知非. 弹性环挤压油膜阻尼器-转子系统动力学特性研究[D]. 天津:天津大学, 2023.
[60] 罗忠, 刘家希, 李雷, 等. 弹性环配合紧度对转子动力学特性的影响[J]. 机械工程学报, 2023, 59(13): 124-132.
[61] 王震林, 刘占生, 徐宁, 等. 基于双向流固耦合弹性环式挤压油膜阻尼器建模及动力学特性研究[J]. 汽轮机技术, 2020, 62(01): 1-5.

所在学位评定分委会
力学
国内图书分类号
V231.96
来源库
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条目标识符http://sustech.caswiz.com/handle/2SGJ60CL/766204
专题工学院_力学与航空航天工程系
推荐引用方式
GB/T 7714
李宏达. 基于流固耦合的弹性环式挤压油膜阻尼器动力特性研究[D]. 深圳. 南方科技大学,2024.
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