1、 立式叶盘 -转子碰摩测试实验台的设计与分析 作者姓名： 魏洪浩 指导教师：李朝峰 单位名称：机械工程与自动化 专业名称：机械工程及自动化 东北大学 2013 年 6 月 The design and analysis of vertical blade disc-rotor rubbing test rig By Wei Honghao Supervisor:Li Chaofeng Northeastern University June 2013 毕业设计（论文）任务书 毕业设计论文题目 ： 立式叶盘 -转子碰摩测试实验台的设计与分析 基本内容 ： 1 应用 三维 制图软件 SolidWo
2、rks 对本课题所研究的 立式 叶 盘 -转子碰摩测试实验台进行设计 建模。 2 应用 CAXA 软件绘制实验台的二维图。 3应用有限元软件 ANSYS 对转子进行静力学分析、模态分析和谐响应分析。 4应用仿真软件 ADAMS 对 试验台 进行仿真 。 5评估总结系统运行时所受的各种影响，为进一步的研究打下坚实的基础。 毕业设计（论文）专题部分： 题目： 设计或论文专题的基本内容： 学生接受毕业设计（论文）题目日期 第 1 周 指导教师签字： 2013 年 月 日 东北大学毕业设计（论文） 摘要 - I - 立式叶盘 -转子碰摩测试实验台的设计与分析 摘要 旋转机械是工业部门中应用最为广泛的一
3、类机械设备，例如压气机、压缩机、汽轮机、各种工程机械以及其他许多重要机械设备都属于这一类。叶盘 -转子系统作为旋转机械的核心部件，在电力、能源、交通、石油化工以及国防等领域中发挥着无可替代的作用。 压气机这类大型旋转机械，在运行（特别 是启动）过程中，在旋转部件和静止部件之间常会发生摩擦故障，导致机组振动超标甚至损坏。这种动静件摩擦往往由其他故障引发，如转子质量不平衡、转子弯曲、转子不对中、间隙不足等等。随着大型机组向着高性能、高效率发展，动静间隙变小，碰摩的可能性也随之增加。因此研究碰摩振动的机理、正确诊断和预防碰摩对机组的安全至关重要。 本课题首先应用 SolidWorks软件对立式叶盘
4、-转子碰摩测试实验台进行设计并建模。然后利用 ANSYS 有限元分析软件，对 叶盘 模型进行静 力 分析、模态分析和谐响应分析，分析 叶盘 的固有特性。 再将整 个试验台导入 到仿真软件 ADAMS 中进行仿真 ， 研究系统在正常运转时， 叶片的受力情况，并分别用刚体和柔性体叶片进行仿真，分析其受力情况。 关键词 ：压气机 立式试验台 叶片 有限元 仿真 柔体 东北大学毕业设计 (论文 ) Abstract - II - The design and analysis of vertical blade disc-rotor rubbing test rig Abstract Rotating
5、 machinery is the most widely used class of mechanical equipment in the industrial sector , such as compressor, compressor, turbine, a variety of construction machinery and many other important mechanical equipment fall into this category.Blade-rotor system play an irreplaceable role as a core compo
6、nent of rotating machinery in electric power, energy, transportation, petrochemical and defense fields. For compressor and other large rotating machinery, friction faults are often occur in the running (especially startup) process between the rotating parts and the stationary parts,leading to excess
7、ive of the vibration or even damage the unit.This friction between rotor and Stator often caused by other faults, such as rotor mass unbalance, rotor bending, rotor misalignment, lack of space and so on.With large units toward high performance, high efficiency development and movement gap becomes sm
8、aller, the possibility of rubbing increases.Therefore, studying the mechanism of rubbing vibration , the correct diagnosis and prevention of rubbing on the units safety is very important. First, using SolidWorks software to design and modeling the vertical blade disc-rotor rubbing test rig.Then, usi
9、ng the finite element analysis software ANSYS, blade disk model for static analysis, modal analysis and harmonic response analysis, analysis of the inherent characteristics of blade discs.Then imported the rig into the software ADAMS to simulation.Researching the forces on the blade during the syste
10、ms normal operation.The blade of rigid and flexible bodies were used to simulate, and analyze the forces. Keywords: Compressor,Vertical Test Rig,Blade,Finite Element,Simulation,Flexible body. 东北大学毕业设计（论文） 目录 - III - 目录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题背景及意义 .1 1.2 国内外研究现状及发展动态 .1 1.2.1 国外研究现状
11、及发展 动态 .1 1.2.2 国内研究现状 及发展 动态 .2 1.3 本课题研究目的及主要研究内容 .2 第 2 章 应用理论及软件概述 .3 2.1 SOLIDWORKS 简介 .3 2.1.1 SOLIDWORKS 概述 .3 2.1.2 SOLIDWORKS 建模简介 .3 2.2 ANSYS 简介 .4 2.2.1 ANSYS 软件特点 .4 2.2.2 ANSYS 在机械领域的应用 .5 2.3 ADAMS 的理论基础和求解方法 .5 2.3.1 ADAMS 软件简介 .5 2.3.2 ADAMS 的理论 基础和求解方法 .7 2.3.3 ADAMS 软件的特点 .8 第 3 章
12、 设计与外购件选用 .9 3.1 叶盘 -转子系统设计 .9 3.1.1 叶盘的设计 .10 3.1.2 轴的设计 .13 东北大学毕业设计（论文） 目录 - IV - 3.2 轴承的选用 .14 3.3 箱体的设计 .14 3.4 滑 台的设计 .16 3.5 机匣的模拟 .16 3.6 电机的选用 .17 3.7 试验台装配 .17 第 4 章 叶片转子系统固有特性分析 .19 4.1 系统建模 .19 4.2 静力分析 .19 4.2.1 静力分析基础 .19 4.2.2 施加边界约束和载荷 .23 4.2.3 求解分析以及结果后处理 .23 4.3 系统模态分析 .25 4.3.1 模
13、态分析基础 .25 4.3.2 模态分析过程 .26 4.3.3 带有预应力 的 模态分析结果 .27 4.4 系统谐响应分析 .32 4.4.1 谐响应分析基础 .32 4.4.2 谐响应 分析步骤 .34 4.4.3 利用 ANSYS 对转子谐响应分析的结果 .34 4.5 小结 .36 第 5 章 基于 ADAMS 软件对实验系统进行仿真分析 .37 5.1 多体系统动力学基础 .37 5.2 对试验台运用 ADAMS 进行刚体运动仿真 .38 5.2.1 仿真步骤 .38 东北大学毕业设计（论文） 目录 - V - 5.2.2 仿真结果 .40 5.3 对实验台运用 ADAMS 进行柔
14、性体运动仿真 .42 5.3.1 仿真步骤 .42 5.3.2 仿真结果 .42 5.4 两种模型的仿真结果分析 .44 5.5 小结 .45 第六章 总结与展望 .46 6.1 总结 .46 6.2 展望 .46 参考文献 .47 致 谢 .48 附录 英文资料及翻译 .49 东北大学毕业设计（论文） 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及意义 旋转机械是工业部门中应用最为广泛的一类机械设备，例如压气机、压缩机、汽轮机、各种工程机械以及其他许多重要机械设备都属于这一类。叶 盘 -转子系统作为旋转机械的核心部件，在电力、能源、交通、石油化工以及国防等领域中发挥着无可
15、替代的作用。 以压气机为例，这类大型旋转机械，在运行（特别是启动）过程中，在旋转部件和静止部件之间常会发生摩擦故障，导致机组振动超标甚至损坏。这种动静件摩擦往往由其他故障引发，如转子质量不平衡、转子弯曲、转子不对中、间隙不足等等 1。随着大型机组向着高性能、高效率发展，动静间隙变小，碰摩的可能性也随之增加。因此研究碰摩振动的机理、正确诊断和预防碰摩对机组的安全至关重要。 1.2 国内外研究现状及发展动态 1.2.1 国外研究现状 及发展 动态 压气机是在工质参数变化范围很宽的条件下工作的大功率部件，也是发动机试验中耗费最大、测试技术较复杂的部件，其试验任务十分广泛，与理论计算值得相互一致性也在
16、不断提高。 美国在发展高压压气机过程中 , 不仅是流场分析模拟技术发挥了重要作用 , 而且 , 试验研究技术也发挥了重要作用 , 甚至可以说发挥了更重要的作用。正是二者紧密结合 , 共同不断发展、完善、提高 ,才达到了今天如此强大、高水平的研制能力。例如， 为研制高压压气机 , GE 公司还创造了一套专门的试验研究技术 , 即低 速大尺寸压气机试验技术。由于真实高压压气机后几级叶片和通道尺寸很小 ,很难对流场进行准确测量 , 于是 , 想到将其放大 , 即按某种意义下的流动相似准则 , 将高速小尺寸的真实压气机转换为低速大尺寸模型 , 在低速大尺寸条件下对流场细节进行准确测量 , 发现不足之处
17、 , 在改进后再在低速下作试验 ; 待取得满意结果后 , 再转换到高速小尺寸。 GE公司利用该技术提出了定制 (Tailored)叶型概念 , 意即像裁缝那样量体裁衣、做出最合身的衣服。低速大尺寸压气机试验技术在 E3 发动机高压压气机的研制中发挥了重要作用 2。 东北大学毕业设计（论文） 第 1 章 绪论 - 2 - 国外航空发达国家相关压气机试验设备，如俄罗斯中央航空发动机研究院的多级压气机模型试验器，最大转速为 3500r/min;最大功率 1000kW;英国的艾利逊发动机公司的小比例风扇试验器，最大转速达 45000r/min，最大功率约 200kW;国外这些发动机公司拥有较完善的配套
18、硬件设备，积累了大量宝贵的试验数据和试验技术，为新机种的开发研制预先解决了多项关键技术，从而缩短了新机的研制周期 3。 近年来，随着高增压比、高效率、低噪声、抗高畸变以及高可靠性的压气机的研究，使压气机实验技术有很大发展。诸如 NASA 采用高灵敏度测量仪表在相对流为超声速的叶片中产生强激波的情况下，测量外侧机匣上的静压；测量高载荷、高马赫数静子叶栅的损失大小和损失分布；采用激光双光束聚焦测速方法进行旋转叶栅气流流动过程及匹配的研究，用以校准和矫正跨声速叶栅气流的理论计算；测定压气机对进口畸变的反应和容忍能力，以扩大它在较大畸变下的稳定工作范围；测定减少压气机噪声诸方法的有效性；采用动态射线摄
19、影测定叶尖间隙；采用全息显示技术测定导致叶片稳态和非稳态脉动的气动力并用以研究跨声速流中的激波运动以及进行提高压气机承载能力的实验研究等 4。 1.2.2 国内研究现状 及发展 动态 我国目前己建有不同功率等级、不同转速、转向的压气机试验台架，为航空发动机的定型、预研做了大量试验与验证。如中国燃气涡轮研究院现有的某压气机试验器和 606所现有的某压气机试验器等。但与国外同类试验器相比，还有较大的差距，同时，由于试验器自身条件的限制，无法展开弹用和无人机用发动机风扇 /压气机部件性能试验 5。 随着航空技术的不断发展，对压气机试验设备的能力和要求越来越高，现有国内试验器与国外先进压气机设备相比，在试验能力和范围上及测试手段存在一定的差距，如果不及时改进，跟 上时代发展的需要，那么在未来高增压比压气机的试验研究领域将越来越落后，从而影响到发动机整机研制的步伐。 1.3 本课题研究目的及主要研究内容 本课题以压气机叶盘 -转子系统为研究对象，设计可以进行碰摩测试的立式试验台，并应用 CAXA、 SolidWorks 软件对该试验台进行二维图绘制以及建立其三维模型。然后运用 ANSYS 软件对叶盘 -转子系统进行静力分析、模态分析和谐响应分析，最后运用ADAMS 软件对该试验台进行运动仿真分析。
