具有干摩擦阻尼的叶片组振动的理论与实验研究

通过理论分析与实验研究,讨论带凸肩叶片的振动特性及其干摩擦阻尼效应。提出了适用于凸肩干摩擦的局部非线性特点的一种新的降阶方法,定义了无量纲干摩擦阻尼因子,用于度量干摩擦阻尼效果。最后,按照设计的实验方案,对带凸肩叶片组试件做了振动实验研究。     

带摩擦阻尼叶片与轮盘耦合系统的振动分析

本文用非比例粘性阻尼等效航空发动机叶／盘耦合系统振动时叶片上凸肩（冠）接触面间产生的摩擦阻尼效应对叶／盘系统固有振动特性及响应特性的影响。利用由滞后弹簧摩擦模型所得到的等效粘性阻尼及等效刚度系数,在局部坐标下建立接触面间的刚度及阻尼矩阵,以分析阻尼对叶／盘系统的减振效应。文中所建立的基本公式、分析方法、由计算所导出的无因次曲线及振型与振动应力分布的后处理云图,可供叶轮机的设计、研制、排故及改型参考。     

凸肩结构对叶片的干摩擦减振研究——规律分析

针对带凸肩的平板叶片,对凸肩阻尼结构的减振规律进行了系统的研究。获得了凸肩接触面初始正压力、接触角度、接触刚度、摩擦系数等多种参数对叶片非线性响应的影响规律。此外,研究了某航空发动机带凸肩风扇叶片的振动响应,分析了凸肩结构对其一阶弯曲振型及某高阶振型的减振效果,确定了该叶片发生疲劳断裂的原因。本文工作对带凸肩结构叶片的设计、排故具有指导意义。      

凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响

针对带凸肩风扇叶片的动力学设计需求,研究凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响规律.基于梁理论建立带凸肩风扇叶片的力学模型,采用瑞利法推导了1阶固有频率解析解,并获得了1阶固有频率随凸肩径向位置的变化规律.基于非线性接触有限元法,研究了凸肩径向位置对接触状态和振动特性的影响.研究结果表明:凸肩径向相对位置为0.75时,可使叶片具有最大的刚度值和1阶固有频率值.而综合考虑多阶模态频率时,凸肩径向相对位置为0.55至0.68时,叶片振动特性最优.凸肩接触正压力随凸肩径向位置增加而下降,切向接触刚度随凸肩径向位置的增加先增加后减小.      

带凸肩风扇叶片振动特性及设计方法研究

针对涡扇发动机带凸肩风扇叶片,考虑凸肩接触带来的刚度和阻尼的非线性影响,采用Newton-Rapson迭代与多次谐波平衡相结合的方法,研究了结构设计参数对约束模态和振动响应的影响。研究结果表明:凸肩位置是影响叶片整体刚性和共振频率的关键参数,凸肩径向相对位置设计在55%~75%为宜,有利于提高叶片刚度和降低振动变形;轴向位置应靠近叶型质心,以提高凸肩的接触刚度和叶片一阶共振频率;啮合角和初始过盈量主要影响共振应力,而对共振频率影响很小。在此基础上,建立了带凸肩叶片的减振设计流程,首先通过优化凸肩径向位置提高叶片整体刚度,其次通过优化凸肩轴向位置提高低阶模态共振裕度,最后通过优化啮合角和初始过盈量抑制振动应力幅值。     

风力机柔性叶片振动变形对其气动阻尼的影响分析

为了研究大型水平轴风力机柔性叶片的振动变形对其气动阻尼的影响,用叶素动量理论计算了风力机叶片气动力,用有限元法计算了结构动力响应,基于能量损失法建立了风力机的气动阻尼分析模型.重点分析了叶片振动扭角、挥舞倾角、摆振倾角对攻角的影响,考虑了挥舞速度,摆振速度对入流速度、入流角的影响.以某5MW海上风力机为例,分析计算了风力机整个叶片的气动阻尼.结果表明挥舞倾角、扭角对挥舞方向气动阻尼影响较大,会使其减小;摆振倾角对摆振方向气动阻尼的影响较大,会使其增大;振动变形对气动阻尼沿叶片的分布没有影响.     

凸肩摩擦减振效果影响因素研究

为了研究凸肩摩擦减振效果的影响因素,以带凸肩平板叶片为对象,利用数值模拟方法计算了平板叶片的振动响应,进行了初始紧度及凸肩接触面与振动方向夹角对凸肩摩擦减振的影响研究。分析了不同夹角和初始紧度时的1弯振动响应,得到凸肩接触面与振动方向夹角和初始紧度对减振效果的影响规律。结果表明：存在1个最优初始紧度,使减振效果达到最好;接触面与振动方向夹角越小振动越小,但需要综合考虑磨损和紧度变化情况     

大涵道比涡扇发动机风扇叶片振动模态分析

对大涵道比涡扇发动机而言,风扇叶片承受较大的离心负荷和振动负荷,振动故障尤为突出。为了研究风扇叶片自身的振动特性,针对风扇叶片进行有限元建模,计算了凸肩自由和凸肩约束两种工作状态下叶片的固有频率和振型。结果表明发动机转速及凸肩状态对叶片固有频率有显著的影响,对大涵道比涡扇发动机风扇叶片的振动特性研究具有重要的参考价值。     

某种低损失阻尼凸肩的结构设计

本文介绍了某种低损失阻尼凸肩的结构形式,并针对这种凸肩建立了一套相应的设计调整计算方法。通过对某发动机风扇叶片凸肩的计算结果分析、对比表明:将本文所述的低损失阻尼凸肩结构设计专用程序用于实际结构设计中,能使凸肩的结构设计具有可靠性高、结构调整简便、计算精度高、工程实用性强等特点。     

等强度低损失阻尼凸肩的设计与应用

针对航空发动机叶片阻尼凸肩的工作特点, 建立一种具有等强度、流线型凸肩型面的凸肩结构设计方法, 并将该方法成功的应用于某高转速风扇叶片阻尼凸肩的结构设计中.应用结果表明, 其设计方法工程实用性强, 设计的凸肩结构具有重量轻、凸肩流道光滑、气流损失小、可靠性高等特点.      

模拟叶片气激及涂层阻尼减振有效性研究

针对航空发动机叶片高阶振动及阻尼涂层减振有效性的试验验证问题,通过构建旋笛式高频气激试验器,对单个非旋转叶片进行气体激振试验研究,同时完成有无涂层阻尼叶片在高频气激下的振动响应对比试验。结果表明：气动激振可以使叶片处于高应力工作状态,施加阻尼涂层是1种有效抑制振动响应的手段;气体激振测频结果与ANSYS计算、振动台测频结果基本吻合,说明气体激振不仅可以完成振动特性试验,而且可以通过调节气压和流量来控制激振力的大小,以此来控制振幅并完成振动疲劳试验     

高速旋转状态下高压涡轮叶盘振动试验研究

在高速旋转状态下,开展对高压涡轮转子叶片的振动特性和缘板阻尼装置减振效果的试验研究,有利于后期的设计迭代,获得真实的叶片振动情况。以高压涡轮转子模拟件为对象,采用雾化油滴非接触式激励方式模拟涡轮叶片周期性气动激励,建立高速旋转状态下高压涡轮转子叶片振动特性试验系统,并进行介于静止状态夹具固定式测试和整机直接测试之间的组件级试验,在高速旋转状态下实现叶片非接触式高频激振,获取叶片的振动特性和缘板阻尼装置对转子叶片的减振效果。结果表明:在常温 10000~19000r / min 运行转速下,缘板阻尼装置对转子叶片减振约 40% ,阻尼质量较大的叶片频率较高。     

航空发动机风扇叶片凸肩的结构设计

统计了一些航空发动机风扇叶片凸肩的结构参数 ,探讨了凸肩的形状、位置、厚度、紧度、涂层等对叶片振动特性的影响 ,并通过试验对影响振动特性的部分结构参数进行了效果验证     

带缘板摩擦阻尼片高压涡轮叶片的减振研究

利用干摩擦阻尼对构件进行减振是1种简单又有效的方法,广泛应用于航空发动机叶片上,可以有效限制叶片的振动应力水平。针对带缘板阻尼片的高压涡轮叶片,基于滞后弹簧模型,以1次谐波平衡法与动柔度法结合为基本算法,提出了1种由气动力计算激振力的方法,并对其影响参数进行研究。对该叶片进行了稳态应力响应的计算,得到使叶片振动应力最小的最优正压力,并对阻尼片质量进行了优化分析。结果表明:现有的阻尼片质量在比较合理的范围内,可以起到较好的减振效果,为提高减振效果可适当增加阻尼片质量。     

摩擦阻尼减振设计中的局部滑动问题

采用干摩擦阻尼器可以有效抑制系统的振动。在摩擦阻尼减振分析中引入局部滑动模型可以更好地描述摩擦阻尼抑制振动的机理。采用局部滑动模型,建立了阻尼器在局部滑动阶段阻尼力与振动位移之间的关系,按照能量等效原则,将阻尼器的刚度、阻尼进行等效并引入振动系统中,发展了带摩擦阻尼系统的振动响应分析方法。通过对带摩擦阻尼器平板叶片的振动响应分析,结果表明:阻尼器在局部滑动阶段,对系统振动的抑制有明显的效果,并且适当施加正压力能使系统在共振状态下的响应达到最小。     

Ti17模拟叶片在空气中的阻尼试验

通过Ti17平板模拟叶片在空气中测阻尼试验研究,用自由振动衰减法测取到各阶振型衰减系数,得出其各阶振型阻尼比,推导出比例阻尼系数,为叶片响应计算时的阻尼系数取值提供了参考.研究还发现振型阻尼比与材料硬度、叶片固有频率及振型密切相关,并给出了定性分析.      

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

缘板阻尼结构减振特性的影响因素分析

基于简化的叶片-缘板阻尼结构模型,开展缘板阻尼结构干摩擦阻尼减振特性的计算分析。阐述了谐波平衡法预测叶片响应的基本原理,并提出了一种基于离散傅里叶变换的雅克比矩阵快速计算方法,结果表明:该方法能够实现谐波平衡法的加速,并使叶片响应计算效率提高8倍以上。在此基础上,重点探究了离心力、缘板阻尼块质量、激振力、缘板倾斜角及缘板阻尼块转动等因素对叶片响应特性的影响,并总结上述关键设计参数对叶片-缘板阻尼结构减振特性的影响规律。      

带冠涡轮叶片干摩擦阻尼减振试验研究

为验证某型真实带冠涡轮叶片叶冠干摩擦阻尼减振效果,本文建立了可实现正压力连续调节的非旋转状态涡轮叶片试验系统,对不同接触紧度、不同接触角度的真实带冠涡轮叶片的振动响应进行了测试。通过试验分析了叶冠接触面紧度、接触角度等重要参数对带冠叶片振动特性和减振效果的影响规律,结果表明：带冠涡轮叶片出现了明显的非线性现象,同时存在一个最优的接触紧度使得该带冠涡轮叶片的减振效果最佳。接触角度的选取应综合考虑叶冠振动能量的消耗能力和带冠涡轮叶片共振频率的稳定性。     

凸肩结构对叶片的干摩擦减振研究——理论方法

提出了一套求解带凸肩结构叶片非线性响应的时频转换方法。该方法应用数值轨迹跟踪法计算凸肩复杂接触面内的非线性摩擦力,并将其与频域内的谐波平衡法、动柔度法相结合求解带凸肩结构叶片的非线性响应,方法能够考虑叶片高阶振型以及响应高次谐波的影响,为带凸肩叶片的设计及故障诊断奠定了理论基础。