﻿ 含中介轴承的双转子系统动力学建模及振动分析
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (10): 101-106    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2023.10.020 PDF

Dynamic modeling and vibration analysis of dual-rotor system with intermediate bearing
ZENG Fan, LIU Yong-bao, WANG Qiang, LI Jun
School of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China
Abstract: In order to further study the dynamic characteristics of gas turbine dual-rotor system under complex working conditions, and according to the coupling effect of intermediary bearings on the dual-rotor system, the dynamics model of the dual-rotor system was established by Ansys and the dynamics simulation was carried out. The model considering the internal and external rotor rotational speed , load,eccentric, contact and friction condition, calculates the natural vibration characteristics of the system and the critical speed, and comparing with the experimental validation. The vibration response of the dual-rotor system at different rotational speeds is calculated and its unbalance vibration coupling characteristics are analyzed, which provides a definite reference for the design of the actual transfer subsystem in engineering.
Key words: dual-rotor system     finite element method     inter-shaft bearing     critical speed     unbalance response.
0 引　言

1 双转子系统有限元计算模型 1.1 几何模型结构

 图 1 双转子系统结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of double rotor system structure
1.2 双转子系统动力学方程

 \begin{aligned} {\boldsymbol{M}}\ddot u + & ({\boldsymbol{C}} + {\varOmega _1}{{\boldsymbol{G}}_{\boldsymbol{1}}} + {\varOmega _2}{{\boldsymbol{G}}_{\boldsymbol{2}}})\dot u + ({{\boldsymbol{K}}_{\boldsymbol{d}}} + \varOmega _1^2{{\boldsymbol{K}}_{\boldsymbol{1}}} + \varOmega _1^2{{\boldsymbol{K}}_{\boldsymbol{2}}})u =\\ & \varOmega _1^2{f_1}{e^{j{\Omega _1}t}} + \varOmega _2^2{f_2}{e^{j{\Omega _2}t}}。\\ \end{aligned}

 ${K}_{rr}=0.237\times {10}^{5}{F}_{r}^{0.1}{n}^{0.9}{L}^{0.2}{\rm{cos}}^{1.9}{\beta }_{1}。$

1.3 基本算法

 $\ddot{u}\left(t\right)=\frac{1}{\Delta {t}^{2}}({u}_{t-\Delta t}-2{u}_{t}+{u}_{t+\Delta t}) ，$ (1)
 $\dot{u}\left(t\right)=\frac{1}{2\Delta t}(-{u}_{t-\Delta t}+{u}_{t+\Delta t})。$ (2)

 \begin{aligned} & \left( {M \cdot \frac{1}{{\Delta {t^2}}} + C \cdot \frac{1}{{2\Delta t}}} \right){u_{t + \Delta t}} =\\ & \quad \quad Q(t) - (K - M \cdot \frac{1}{{\Delta {t^2}}}){u_t} - (M \cdot \frac{1}{{\Delta {t^2}}} - C \cdot \frac{1}{{2\Delta t}}){u_{t - \Delta t}}。\end{aligned} (3)

2 双转子系统动力学建模 2.1 双转子系统尺寸参数

2.2 材料参数确定

2.3 有限元模型建立

 图 2 双转子系统有限元模型 Fig. 2 Finite element model of dual rotor system

 图 3 中介轴承有限元模型 Fig. 3 Finite element model of intermediate bearing
2.4 边界条件设置

3 仿真过程与结果分析 3.1 转子系统临界转速特性

 图 4 双转子系统的前四阶振型 Fig. 4 The first four vibration modes of the dual-rotor system

 图 5 双转子系统高、低压转子的不平衡响应 Fig. 5 Unbalanced response of high and low pressure rotors in a dual rotor system

3.2 转子系统不平衡响应

 图 6 高压转子转速320 rad/s时，系统振动响应 Fig. 6 Vibration response of the system when the high voltage rotor speed is 320 rad/s

 图 8 高压转子转速640rad/s时，系统振动响应 Fig. 8 Vibration response of the system when the high voltage rotor speed is 640rad/s

 图 7 高压转子转速550 rad/s时，系统振动响应 Fig. 7 Vibration response of the system when the high voltage rotor speed is 550 rad/s
4 试验及结果分析

 图 9 高压转子的时域波形图 Fig. 9 Time-domain waveform diagram of high-voltage rotor

 图 10 高压转子的转速幅值曲线 Fig. 10 Speed amplitude curve of high pressure rotor
5 结　语

1）通过对系统的固有振动特性以及临界转速的计算，并与试验结果进行对比，证明仿真模型的可行性；

2）研究双转子系统存在偏心时的不平衡响应，并分别给出系统在振动平缓位置以及2个振动突变处的振动响应规律，为进一步研究双转子系统的故障特性提供基础。

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