国产化统计能量分析软件FastCAE-Acoustics系列 —潜艇模型噪声分析技术详解

引言 在旋转机械（如泵、压缩机、汽轮机）的设计与运行中，转子动力学分析是预测和解决振动问题的关键。相较于一般结构动力学，转子动力学面临更为复杂的物理环境，其核心在于精确模拟转子系统与其周围流体介质（润滑剂、工艺流体）的相互作用。本文将聚焦两个关键物理现象：流体附加质量效应与环形密封的Lomakin效应。 一、转子动力学的特殊性与复杂性转子动力学分析需要高度专业化的计算程序，原因在于其必须包含以下关键因素：1. 非线性支承特性：轴承、叶轮和密封等部件提供的三维刚度和阻尼特性，是转子转速和载荷的函数，具有显著的非线性。2. 流体激励力：叶轮内部流动以及止推平衡装置产生的流体激励力，是重要的激振源。3. 陀螺效应：高速旋转转子的陀螺力矩显著影响其动力学行为，尤其在进动运动中。4. 稳定性关键因素：轴承和密封产生的阻尼力以及交叉耦合刚度（指运动方向垂直的反作用力分量）对转子系统的稳定性至关重要。当交叉耦合效应超过阻尼能力时，可能导致灾难性的自激振动（失稳）。先进的转子动力学程序集成了轴承/密封特性计算、临界转速分析、激励响应预测及稳定性评估等核心模块，以全面评估转子系统在各种工况下的动力学表现。二、流体“附加质量”对转子固有频率的影响转子周围流体并非被动介质，它会显著增加转子的等效惯性，从而降低其固有频率。这种“附加质量”效应主要通过三种机制体现：1. 滞留流体质量：被困在叶轮流道内的流体直接增加了旋转部件的质量。2. 位移流体加速：转子振动时，必须推动和加速其占据空间内的流体质量。3. 狭缝加速效应 (Stroke Effect)：在紧密间隙（如密封）区域，为维持流体的连续性，转子微小振动迫使间隙内流体产生远高于转子振动加速度的局部加速。此效应可导致等效附加质量数倍于实际位移的流体质量。流体附加质量效应普遍存在，其影响程度取决于转子结构、间隙尺寸及流体密度，是进行精确临界转速计算时必须考虑的因素。三、环形密封“Lomakin效应”对转子动力学特性的主导作用泵类设备中的环形密封（如摩擦环、平衡鼓）对转子动力学特性具有深远影响。它们通过显著改变转子的有效支承刚度来提升系统固有频率，从而帮助规避或加剧特定转速下的共振风险。其刚度和阻尼部分来源于类似滑动轴承的挤压油膜和动压楔效应。然而，在环形密封中，Lomakin效应是产生刚度和阻尼的最主要机制。Lomakin效应机理：当转子在密封间隙内发生径向偏心时，间隙变窄侧的流体流速增加，根据Bernoulli原理导致该侧静压力降低；而间隙变宽侧流速降低，压力相对升高。由此产生的周向压力差形成了一个将转子推回中心位置的恢复力，等效于增加了支承刚度。同时，流体流经偏心间隙时也产生阻尼力。Lomakin效应关键影响因素：1. 压降 (ΔP)：效应强度与通过密封的压降直接相关。在恒定系统流阻下，Lomakin刚度近似与转速平方成正比；但在恒定系统压头下，其随转速变化较小。2. 密封几何：间隙 (c)：影响最为显著，Lomakin刚度近似与间隙平方成反比。间隙增大显著削弱效应，因周向流动更容易平衡压力差。长度 (L) 与直径 (D)：长度增加通常增强效应，直径影响亦需考虑。3. 流体特性：流体粘度影响相对次要，除非粘度极高。然而，密封内流体漩涡会削弱Lomakin刚度或增强有害的交叉耦合效应。4. 密封槽影响：任何形式的周向开槽（尤其是深槽）都会破坏连续的周向压力分布，其效果等同于增大间隙，削弱Lomakin效应。四、懿朵科技：深耕转子动力学，赋能旋转机械稳定高效运行 基于对旋转机械转子动力学核心物理现象（如流体附加质量效应与环形密封Lomakin效应）的深刻理解，懿朵科技依托先进技术平台与深厚工程积淀，为客户提供专业、精准的分析服务与解决方案。我们的核心优势与业务聚焦如下：1) 协助企业提升高精度流固耦合仿真能力 ；2) 提供专业的转子动力学分析服务；3) 提供旋转机械振动问题根本性解决方案；4) 结合自主开发的模型与算法、将先进工具与工程经验融合。来源：懿朵科技