一种倾斜式涡轮增压器非线性临界转速的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种倾斜式涡轮增压器非线性临界转速的确定方法，包括：利用集中质量法建立倾斜式涡轮增压器转子动力学方程，基于短轴承理论的Capone模型得到浮环轴承内、外层非线性油膜力，通过牛顿第二定律建立浮环轴承动力学方程，得到转子

【技术实现步骤摘要】
一种倾斜式涡轮增压器非线性临界转速的确定方法


[0001]本专利技术涉及涡轮增压器转子
‑
浮环轴承系统结构设计和转子工作转速范围，尤其涉及确定不同倾斜角度下涡轮增压器转子
‑
浮环轴承系统临界转速的方法。

技术介绍

[0002]涡轮增压器中的核心部件是高转速下高可靠性的转子
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轴承系统。废气涡轮与压气机叶轮固定在同一根转轴上，转轴一般采用浮环轴承支承，由此构成涡轮增压器转子
‑
浮环轴承系统。涡轮增压器转子系统采用了“柔性转子”设计，常用的涡轮增压器转子工作转速一般在60000
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240000r/min左右，最高工作转速可达290000r/min，位于第一阶、第二阶临界转速之上,甚至接近第三阶临界转速。当涡轮增压器转子系统加速、减速、启动、停机时，必然经过临界转速区域，发生强烈共振，严重影响涡轮增压器的可靠性和使用寿命。涡轮增压器已广泛应用于各种基础工况，如水平、垂直或倾斜工况，重力的影响即重力垂直于转子轴向的分量随着布置角度的不同而发生变化，且增压器浮环轴承油膜力存在强非线性因素，这将导致增压器转子动力学系统的支承刚度将受到重力的影响而发生变化。因此快速、准确的预测不同倾斜角度下涡轮增压器的临界转速对于设计者是至关重要的。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术，本专利技术提供一种确定倾斜式涡轮增压器转子
‑
浮环轴承系统临界转速的方法。通过Campbell图中等转速线与各阶正进动模态频率线的交点读取转子
‑
浮环轴承系统临界转速，该方法具有原理简单，效率、精度较高等优点。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种倾斜式涡轮增压器非线性临界转速的确定方法，主要包括：
[0005]步骤1、利用集中质量法建立倾斜式涡轮增压器转子动力学方程，然后基于短轴承理论的Capone模型得到浮环轴承内、外层非线性油膜力，通过牛顿第二定律建立浮环轴承动力学方程，进而得到转子
‑
浮环轴承系统非线性动力学方程，该方程中包含定常重力与非定常不平衡力和非线性油膜力；
[0006]步骤2、将转子
‑
浮环轴承系统的位移q分解为与时间无关的静位移和与时间相关的动位移，同时将非线性油膜力泰勒展开且忽略非线性项，进而得到非线性静平衡方程和包含与静位移相关的油膜刚度的动力学方程；
[0007]步骤3、求解转速变化区间内每个转速对应的特征值问题得到每个转速下转子
‑
浮环轴承系统模态频率；以转速为横坐标，各阶模态频率为纵坐标进行绘图得到Campbell图；在Campbell图上绘制等转速线，等转速线与各阶正进动模态频率线的交点即为转子系统临界转速。
[0008]进一步讲，本专利技术所述的倾斜式涡轮增压器非线性临界转速的确定方法，其中：
[0009]步骤1的具体步骤如下：
[0010]步骤1
‑
1、应用集中质量法建立倾斜式涡轮增压器转子动力学方程；
[0011][0012]其中，q
r
为转子位移，M
r
、G
r
和K
r
分别为转子的质量矩阵、陀螺矩阵和刚度矩阵，ω为转子转速，和分别为转子所受的油膜力、不平衡力和重力；
[0013]步骤1
‑
2、基于短轴承理论的Capone模型，得到浮环轴承X方向内层非线性油膜力和Y方向内层非线性油膜力为
[0014][0015]其中，
[0016][0017][0018][0019]其中，μ
in
为内层油膜粘度，R
i
为轴颈半径，L
in
为内层油膜长度，C
in
为内层油膜半径间隙，ω
r
为浮环轴承转速，x
i
、y
i
分别为轮盘沿着X方向和Y方向的位移，分别为轮盘沿着X方向和Y方向的速度，i＝2或3为轮盘序号；
[0020]得到浮环轴承X方向外层非线性油膜力和Y方向外层非线性油膜力为：
[0021][0022][0023][0024][0025]其中，μ
out
为外层油膜粘度，R
r
为浮环轴承外圈半径，L
out
为外层油膜长度，C
out
为外层油膜半径间隙，X
rj
、Y
rj
分别为浮环轴承沿着X方向和Y方向的位移，分别为环轴承沿着X方向和Y方向的速度，j＝1或2为浮环轴承序号；
[0026]步骤1
‑
3、应用牛顿第二定律建立浮环轴承动力学方程
[0027][0028][0029]其中，m
r
为浮环质量，g为重力加速度，为第1个浮环轴承沿着X方向和Y方向的加速度，和为第2个浮环轴承沿着X方向和Y方向的加速度，θ为转子相对于水平面的倾斜角度；
[0030]联立方程(1)、(10)和(11))即可得到倾斜式涡轮增压器转子
‑
浮环轴承系统非线性动力学方程为
[0031][0032]式(12)中，q为转子
‑
浮环轴承系统位移，F
oil
,F
ub
与F
g
分别为非线性油膜力，不平衡力和转子受到的与倾斜角度θ相关的重力，M、G和K分别为转子
‑
浮环轴承系统质量矩阵、陀螺矩阵和刚度矩阵。
[0033]步骤2的具体步骤如下：
[0034]将转子
‑
浮环轴承系统的位移q分解为静位移与动位移，同时将非线性油膜力F
oil
泰勒展开且忽略非线性项，进而得到非线性静平衡方程和包含与静位移相关的油膜刚度的动力学方程；包括：
[0035]将转子
‑
浮环轴承系统的位移分解为静位移q0与动位移
[0036][0037]同时将非线性油膜力在平衡位置泰勒展且忽略非线性项
[0038][0039]其中，油膜刚度为
[0040][0041]进而整理得到非线性静平衡方程
[0042]Kq0＝F
oil
(q0)+F
g
(16)
[0043]应用牛顿迭代法求解式(16)所示的非线性静平衡方程得到不同倾斜角度下的静平衡位置q0，将静平衡位置q0代入公式(15)即可得到不同倾斜角度下的油膜刚度。
[0044]包含油膜刚度K
oil
的动力学方程
[0045][0046]将式(17)所示的包含油膜刚度的动力学方程写成为状态空间形式，转化为特征值问题；
[0047][0048]其中，λ为转子
‑
浮环轴承系统特征值即为模态频率，u为特征向量即为模态振型。
[0049]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种倾斜式涡轮增压器非线性临界转速的确定方法，其特征在于，主要包括：步骤1、利用集中质量法建立倾斜式涡轮增压器转子动力学方程，然后基于短轴承理论的Capone模型得到浮环轴承内、外层非线性油膜力，通过牛顿第二定律建立浮环轴承动力学方程，进而得到转子
‑
浮环轴承系统非线性动力学方程，该方程中包含定常重力与非定常不平衡力和非线性油膜力；步骤2、将转子
‑
浮环轴承系统的位移分解为与时间无关的静位移和与时间相关的动位移，同时将非线性油膜力泰勒展开且忽略非线性项，进而得到非线性静平衡方程和包含与静位移相关的油膜刚度的动力学方程；步骤3、求解转速变化区间内每个转速对应的特征值问题得到每个转速下转子
‑
浮环轴承系统模态频率；以转速为横坐标，各阶模态频率为纵坐标进行绘图得到Campbell图；在Campbell图上绘制等转速线，等转速线与各阶正进动模态频率线的交点即为转子系统临界转速。2.根据权利要求1所述的倾斜式涡轮增压器非线性临界转速的确定方法，其特征在于，步骤1具体步骤如下：步骤1
‑
1、应用集中质量法建立倾斜式涡轮增压器转子动力学方程其中，q
r
为转子位移，M
r
、G
r
和K
r
分别为转子的质量矩阵、陀螺矩阵和刚度矩阵，ω为转子转速，和分别为转子所受的油膜力、不平衡力和重力；步骤1
‑
2、基于短轴承理论的Capone模型，得到浮环轴承X方向内层非线性油膜力和Y方向内层非线性油膜力为其中，其中，其中，其中，μ
in
为内层油膜粘度，R
i
为轴颈半径，L
in
为内层油膜长度，C
in
为内层油膜半径间隙，ω
r
为浮环轴承转速，x
i
、y
i
分别为轮盘沿着X方向和Y方向的位移，分别为分分别为别为轮盘沿着X方向和Y方向的速度，i＝2或3为轮盘序号；得到浮环轴承X方向外层非线性油膜力和Y方向外层非线性油膜力为：
其中，μ
out
为外层油膜粘度，R
r
为浮环轴承外圈半径，L...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭虎伦，欧阳旭，李孟寒，曹树谦，王天友，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：