含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性分析

某型轴流式压气机性能试验过程中出现转子叶片裂纹故障.结合该型压气机结构特点,分析了振动响应的时域信号、频域信号以及高频成分出现的频率波动现象,总结了含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性.分析结果显示:含裂纹叶片的整体叶盘使得轴流压气机振动响应呈现非线性特性;振动频谱中出现共振峰分离现象,表明叶片裂纹引起轴流压气机1级转子叶盘出现结构失谐;随转速升高,两个共振峰对应频率均出现波动现象(波动周期分别约为8s和9.2s),叶片裂纹不断扩展且数量增加,整体叶盘失谐程度不断加深,整体叶盘系统出现低阶模态局部化现象.      

单叶片失谐整体叶盘响应分析

以某型发动机第一级整体叶盘试验件为基础,运用理论计算与试验相结合的方法研究了该整体叶盘在单叶片失谐情况下的响应,得到了失谐叶片与"正常"叶片的前两阶振动幅值和相位.理论与试验分析均表明,该整体叶盘当单个叶片失谐量在15%以内时,一阶附近在某些失谐量下失谐叶片的振动幅值比协调叶片的要大得多,而失谐量对整体叶盘的振动在二阶频率附近的振幅影响不大.     

航空发动机涡轮叶片高周疲劳裂纹 故障分析与思考

针对航空发动机涡轮整体叶盘叶片发生的高周疲劳裂纹故障,及排故初期受动应力测试条件限制,主要采取增强结构抗力的排故措施使裂纹位置集中于叶片尾缘根部。后经高温、高转速、小尺寸整体叶盘叶片动应力测试技术攻关,明确故障主要为涡轮导叶尾流激起的叶片振动应力超限所致。采取增加导叶数避开共振的改进措施,并经整机高周疲劳试验考核验证了其有效性。认识到叶片振动特性设计时需关注的几个问题,及先进动应力测试技术在发动机研制过程中的不可或缺,形成了一套经过实践验证的叶片高周疲劳排故工作流程,对国内航空发动机研制起到一定的参考借鉴作用。     

叶片平均频率对失谐叶盘振动局部化影响分析

为了探求叶片平均频率对失谐叶盘振动响应的影响规律,采用有限元缩减模型分别对谐调叶盘和失谐叶盘进行振动响应分析,通过振动局部化因子对失谐叶盘振动局部化特性进行评估,获得了不同叶片平均频率和失谐标准差下叶盘系统的振幅和应变能分布,以及失谐叶盘振动局部化特性。结果表明:随着失谐标准差的增大,失谐叶盘振动幅值呈减小趋势,同时共振带变宽;在平均频率为1.0044时出现了严重的振动局部化现象,在失谐标准差为5%时,叶盘振动局部化程度较轻。     

叶盘结构盘片耦合振动特性的参数敏感性

在参数化建模、求解的基础上重点研究了叶盘结构盘片耦合振动频率转向特性、由结构参数随机失谐引起的振动局部化特性对结构设计参数变化的敏感性.对盘片耦合振动频率转向特性的研究发现,随着轮盘扇区间耦合刚度或叶片刚度的变化,频率转向间隙曲线的改变具有碗状形式;对振动局部化特性的研究表明,以轮盘扇区间耦合刚度和结构参数失谐强度为自变量的失谐响应放大因子曲面呈类马鞍形;响应放大阈值现象存在与否,与轮盘扇区间耦合刚度的大小直接相关.若选择位于鞍部的轮盘扇区间耦合刚度-失谐强度组合参数设计,失谐响应放大因子最多能够被减小37.5%.      

某级压气机叶盘系统失谐振动关键因素研究

基于某级压气机叶片盘扇区，建立考虑非线性榫接触叶片盘有限元模型，应用提出的自由界面子结构-固定界面预应力模态综合超单元近似分析方法，并基于提出的围绕实验与有限元分析拟合出线性表达式的失谐参数识别方法，探究失谐关键因素对于叶盘系统振动的影响.结果表明，非线性榫接触不可忽略，提出的超单元法精度达到3.07%，满足要求.同时也表明，叶片平均频率、叶盘刚度比与频率转向对于失谐叶盘系统振动幅值、共振频率及应变能等参数均有一定影响.      

刚度随机失谐叶盘结构概率模态特性分析

基于典型叶盘结构的集中参数模型和Monte Carlo数值计算,分析了刚度随机失谐叶盘结构的概率固有特性.给出了叶盘结构的扇区两自由度集中参数模型,计算并说明了其基本频率结构特性,根据叶盘结构模态振动物理背景,提出了一个定量表征模态振型局部化程度的指标一模态局部化因子,分别计算了不同随机刚度失谐叶盘结构固有频率和模态振型局部化的统计特性,讨论了失谐因素的影响规律等.研究表明,叶片和耦合刚度的失谐影响的频率区间有着明显的不同,并在其影响频段内模态局部化因子会出现"突变"的现象.      

航空发动机整机动力学研究进展与展望

对近年来航空发动机整机动力学的研究现状、进展进行了综述,包括双转子系统固有特性计算、转子-滚动轴承系统动力学、转子叶片振动、发动机机匣动力学、机动飞行转子系统动力学、航空发动机转子碰摩动力学、航空发动机转子裂纹以及整机动力学等.最后对航空发动机整机动力学今后工作研究的方向进行了展望.     

整圈自带冠叶盘系统斜碰撞振动局部化研究

为研究整圈自带冠叶盘系统斜碰撞振动局部化问题,建立了整圈自带冠叶盘系统斜碰撞振动的集中参数模型动力学方程,计算不同耦合刚度下的各阶固有频率.分析了存在冠间间隙失谐情况下,叶片的各阶次振动响应特性和碰摩力,以及叶片刚度失谐情况下,不同耦合刚度叶盘系统的斜碰撞/无斜碰撞振动局部化因子.对比分析了叶片刚度、冠间间隙分别存在随机失谐时,不同耦合刚度叶盘系统的斜碰撞振动局部化因子.研究发现:在出现斜碰撞和轮盘共振情况下,即使是谐调叶盘系统也会出现振动局部化现象.而在各阶共振情况下,失谐叶盘系统都会出现振动局部化现象.计算表明:碰摩力与振动局部化的产生有直接关系,斜碰撞使叶片对失谐的敏感程度更大.另外,弱耦合叶盘系统比强耦合叶盘系统的振动局部化因子相对更大,叶片振动对于叶片刚度失谐比对冠间间隙失谐的敏感程度更大.      

发动机叶片振动特性分析

分析了发动机转子叶片的振动特性,并运用ANSYS软件平台对含裂纹叶片与无裂纹叶片的振动特性进行了比较,结论表明,可以通过监测叶片振动来判断发动机叶片的结构完整性。     

失谐叶盘结构振动模态局部化研究

针对失谐叶盘结构振动特性和模态局部化特性,分别利用有限元法和子结构模态综合法进行分析。对具有12个叶片模拟叶盘结构的振动特性和振动模态局部化特性进行研究,包括失谐形式对模态局部化的影响和模态密度对失谐敏感性的影响,并利用应变能和模态局部化因子的概念对模态局部化现象进行定量描述。研究表明:子结构模态综合法能满足叶盘结构振动模态特性的计算精度要求,并能节省大量的计算时间;失谐形式和模态密度对模态局部化程度有显著影响。     

带失调叶片的盘片耦合系统振动特性

本文以带16个叶片的平面盘片结构作为试验件和计算模型,研究了叶片频率失调分布形式、失调幅度,失调阶次对盘片耦合系统的动力特性及受迫振动的影响。实验和计算表明这个力学模型能较全面地反映系统的特性。     

叶盘耦合振动转/静子叶片数与节径数关系

针对航空发动机中叶盘结构的共振分析问题，通过研究气体激励力和叶盘节径型振动在转子坐标系下的数学表达形式，利用叶盘结构共振时，气体激励力需要对叶盘系统做正功的条件，推导了叶盘发生共振时，节径数与转/静子叶片数应满足的关系式dm=kNv-nNb。通过3个数值算例对上述关系式进行了阐述:从气动功和谐响应分析的角度验证了当上述关系存在时，且激励频率等于结构固有频率时，叶盘系统会发生危害共振；同时指出，当上述变量不满足上述关系时，若激励频率等于叶盘结构的固有频率，也会引起部分叶片发生较大振动的可能。      

发动机静子尾流激励对叶盘结构高阶共振可激性的研究

针对航空发动机中转静干涉流场诱发的叶盘结构强迫响应问题，分析由导流叶片和动叶构成的转静干涉流场的尾流激励所激起的叶盘结构高阶共振的可能性和危险性.基于非定常转静干涉流场数值模拟结果，通过时域与空间傅里叶分析得到叶盘所受气动压力的频谱和空间波谱，同时定义投影于叶盘结构模态空间的激励（即模态力）为尾流激励的可激性，用于对叶盘结构共振响应强度的评估.研究结果表明:尾流激励对非主要共振点的可激性远远小于其对主要共振点的可激性；在发动机工作转速范围内允许那些模态位移场与激振力场的夹角较大（余角较小）的共振存在，即尾流激励可激性很小的高阶共振的存在是合理的.      

叶片失调及盘片耦合对叶栅颤振边界的影响

 本文用特征值法研完了叶片频率失调及盘片耦合对叶栅颤振边界的影响。计算结果表明:失调可延迟颤振边界,在一定的失调幅度范围内,随着失调幅度的增大,颤振边界向后移;不同的失调阶次对颤振边界的影响不同,影响的大小取决于颤振时的振动阶次。此外,计及盘片耦合效应后,失调叶栅的颤振边界前移。     

错频叶盘结构振动模态局部化特性分析

利用"错频失谐(Mistuning)"是进行颤振抑制的有效手段,但是否会导致较大叶盘结构振动局部化是需要进一步研究的问题.本文以典型压气机叶盘结构为例,通过引入实际的两种错频失谐方案,分析研究了谐调和"错频失谐"情况下叶盘结构振动模态特性和模态局部化性质.研究表明,"错频失谐"会引起显著的振动局部化,因此实际叶盘失谐设计中需要综合考虑颤振抑制和失谐振动局部化两方面.      

A novel none once per revolution blade tip timing based blade vibration parameters identification method

The vibration caused blade High Cycle Fatigue (HCF) is seriously affects the safety operation of turbomachinery especially for aero-engine. Thus, it is crucial important to identify the blade vibration parameters and then evaluate the dynamic stress amplitude. Blade Tip Timing (BTT) method is one of the promising method to solve these problems. While, it need a high resolution Once Per Revolution (OPR) signal which is difficult to get for the aero-engine. Here, a Coupled Vibration Analysis (CVA) method for identifying blade vibration parameters by a none OPR BTT is proposed. The method assumes that every real blade has its own vibration performance at a given speed. Whereby, it can take any blade as the reference blade, and the other blades using the reference blade as the OPR for vibration displacement calculating and further parameter identifying. The proposed method is validated by numerical model. Also, experimental studies are carried out on a straight blade and a twisted three dimensional blade test rig as well as a large industrial axial compressor respectively. The results show that the proposed method can accurately identify the blade synchronous vibration parameters and quantitatively evaluate the mistuning in bladed disks, which lays a foundation for the reliability improvement of aero-engine.