旋转冲压转子气流激振力作用下的动力学响应

论文摘要

目前燃气轮机技术水平的高低已经成为一个国家科技水平、军事实力以及国家综合国力的重要标志之一,其技术的水平直接影响着一个国家的能源、国防、安全和工业竞争能力。燃气轮机之所以得到如此迅速的发展和相当的重视,由于其具有热效率高、污染少等优点,而这些优点及热力性能好坏与燃气轮机中压缩机能否在加热燃烧前对气体进行有效的压缩有着至关重要的影响。在理论和实际研究中,压气机的压比越大、效率越高,对燃气轮机的最终热力性能越有利。因此,为了提高燃气轮机的性能,就要研究更高单级压比和更高效率的压缩系统,从而就诞生了一种新概念、新技术、新型压缩系统的旋转冲压发动机。旋转冲压发动机的冲压转子是采用一种基于激波压缩技术的新型压缩系统,其旋转冲压进气道的激波压缩气流增压方式,具有压比高和压缩效率高等优点。由于这种新型压缩系统具有的上述优点,使其在船舶动力、车辆工程、燃气轮机和分布式微小型燃气轮机等装置中有着很大的发展和应用前景。因此,开展全面、深入旋转冲压发动机转子及转子旋转冲压进气道的研究有着非常重要的理论意义和实用价值。本文主要根据国内外对旋转冲压发动机的研究基础上,设计并建立旋转冲压发动机冲压压缩转子以及其核心部件—冲压进气道。通过对旋转冲压压缩转子冲压进气道流场的数值仿真,计算了旋转冲压转子在设计工作转速下、不同出口背压条件的进气道流场的分布,分析了背压和不同进气道结构等对进气道流场分布的影响。在此基础上进一步将旋转冲压进气道流场的分析研究扩展到三维模型中,同样研究了不同出口背压条件下三维进气道的流场分布及其对流场分布的影响,最终确定了三维进气道的正常工作背压。在工作背压下,进行基于三维冲压进气道的旋转冲压发动机转子的受力分析研究,得到气流对转子的作用力和气流激振力的数学模型。在此基础上建立旋转冲压发动机转子的有限元模型,最后分析该气流力作用下旋转冲压发动机的动力学特性,得到了不同支承下的转子各阶临界转速及其对应的各阶振型,以及在气流激振力作用下和气流激振力及不平衡力耦合作用下的转子动力学响应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 旋转冲压发动机国外研究现状
• 1.3.2 旋转冲压发动机国内研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 旋转冲压发动机转子及进气道模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 旋转冲压发动机概述
• 2.2.1 旋转冲压发动机总体技术
• 2.2.2 旋转冲压发动机工作原理
• 2.3 旋转冲压压缩转子设计及模型的建立
• 2.3.1 激波形成及激波前后各流动参数间的关系
• 2.3.2 旋转冲压进气道的设计
• 2.3.3 旋转冲压发动机转子的基本结构及尺寸
• 2.3.4 旋转冲压发动机冲压转子的工作转速计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 旋转冲压发动机冲压进气道流场研究
• 3.1 引言
• 3.2 旋转冲压进气道流场二维模型建立及网格划分
• 3.2.1 物理模型及网格划分
• 3.2.2 数值求解方法
• 3.3 湍流模型及边界条件的确定
• 3.3.1 湍流模型的选择
• 3.3.2 计算方法与边界条件
• 3.4 二维进气道流场计算结果分析
• 3.4.1 不同背压（压比）对旋转冲压进气道流场的影响
• 3.4.2 不同进气道尺寸对旋转冲压进气道流场的影响
• 3.5 三维旋转冲压进气道流场计算
• 3.5.1 三维压缩进气道模型网格的划分
• 3.5.2 流动边界条件与计算方法
• 3.5.3 不同压比下的三维进气道流场计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 旋转冲压气流对转子作用力的研究
• 4.1 引言
• 4.2 旋转冲压发动机冲压转子的受力分析
• 4.2.1 转子无涡动时冲压转子的受力分析
• 4.2.2 转子涡动时冲压转子的受力分析
• 4.3 气流对转子作用力的数学模型
• 4.3.1 旋转冲压转子受力的整合分析
• 4.3.2 气流力数学模型的拟合建立
• 4.4 本章小结
• 第5章 旋转冲压发动机转子动力学特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 旋转冲压发动机转子有限元模型的建立
• 5.2.1 旋转冲压发动机冲压转子单元的划分
• 5.2.2 旋转冲压转子的动力学方程
• 5.3 给定轴承支承刚度下的旋转冲压转子动力学特性研究
• 5.3.1 旋转冲压转子的临界转速和振型
• 5.3.2 气流激振力作用下旋转冲压转子的响应
• 5.3.3 气流激振力及不平衡力耦合作用下旋转冲压转子的响应
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢