超临界高转速涡轮转子系统流固耦合动力学研究

超临界高转速涡轮机械是当前和今后一段时期航天、航空和能源动力等领域的核心装置，其超临界（压力、温度）、高转速的运行参数对装置运行的可靠性提出了严峻挑战，特别是由高转速引起的转子系统失稳对装置安全运行构成严重威胁，而在高转速下超临界涡轮转子的流固耦合作用则是造成转子系统失稳的重要因素。关于超临界涡轮转子流固耦合造成转子系统失稳的机理，目前国内外的研究还很不充分。本项目提出"超临界高转速涡轮转子系统流固耦合动力学研究"这一课题，通过理论分析、数值仿真和实验研究，探索产生超临界涡轮转子流固耦合力的内在机制，从而提出能够全面反映涡轮自身结构、周围流体环境以及超临界流体特性等各种因素影响的超临界涡轮转子流固耦合动力学模型，进而研究超临界涡轮转子流固耦合造成高转速涡轮转子系统失稳的机理，最终找到影响超临界高转速涡轮转子系统稳定性的控制因素，为超临界高转速涡轮机械转子动力学设计提供理论依据。

超临界高转速涡轮机械是当前和今后一段时期航天、航空和能源动力等领域的核心装置，其高温、高压、高负荷、高转速的运行参数对装置运行的可靠性提出了严峻挑战，特别是由超临界（压力、温度，如超临界汽轮机组）、高转速（如液体燃料火箭发动机涡轮泵）运行引起的转子系统失稳对装置安全运行构成严重威胁，而在超临界条件下涡轮的流固耦合作用（如气流激振）则是造成转子系统失稳的重要因素。目前，我国在超临界涡轮转子流固耦合研究方面远远落后于西方发达国家，已成为影响我国超临界高转速涡轮机械的进一步发展的主要障碍，减慢了我国航空、航天等高科技领域快速向前发展的步伐。本项目提出“超临界高转速涡轮转子系统流固耦合动力学研究”这一课题，重点研究了超临界涡轮转子流固耦合动力学机制和超临界高转速涡轮转子系统的流固耦合动力学特性。通过理论分析和实验研究提出了考虑涡轮盘面倾斜和轴向间隙等因素的超临界涡轮转子流固耦合动力学综合机制，建立了符合上述综合机制的全自由度超临界涡轮转子流固耦合动力学模型。通过数值仿真和实验，并借助波形图、频谱图、轴心轨迹、Poincaré映射图及分岔图分析工具，研究了超临界涡轮系统有关流固耦合参数对高转速转子系统动力学性能的影响。其中，所建立的全自由度超临界涡轮转子流固耦合动力学模型是本课题研究的一项重要成果。研究结果表明，涡轮偏心、盘面倾斜和轴向间隙在超临界高转速条件下对涡轮转子系统动力学性能会产生重要影响，是引起转子系统动力学失稳的重要因素。研究还发现，虽然涡轮流固耦合动力学模型具有弱非线性，但是在高转速条件下会使转子系统产生非常强的非线性特征，非常小的扰动就会使整个系统快速失去平衡。这项研究成果为解决长期以来一直困扰着学术和工程界的涡轮机械气流激振尤其是非线性气流激振问题向前迈出了重要一步，为我国超临界高转速涡轮机械，尤其是航天涡轮发动机转子系统的动力学设计和制造提供了重要的理论支持，对我国超临界高转速涡轮机械的发展具有重要意义。