机动飞行环境下双转子系统主共振特性分析

以双转子系统为研究对象，综合考虑高低压转子双频不平衡激励、中介轴承间隙以及机动载荷，通过Lagrange方程，建立了水平盘旋机动飞行环境下双转子系统动力学模型，研究了双转子系统的主共振特性，分析了水平盘旋机动载荷对双转子系统主共振特性的影响规律，探讨了机动飞行环境下中介轴承间隙对双转子系统主共振特性的影响规律。研究结果表明，双转子系统存在振动突跳和双稳态等典型的非线性动力学行为，水平盘旋机动载荷增大会对双转子系统产生“刚度增强效应”,中介轴承间隙增大会对双转子系统产生“刚度弱化效应”。     

机动飞行下机载磁悬浮转子振动响应

为了探究机动飞行对机载磁悬浮转子振动响应的影响，建立了飞机机动飞行下柔性转子的运动微分方程和磁悬浮轴承 模型，使用基础运动的6个参数描述了飞机转弯和俯冲拉升2种机动飞行的完整过程，对1个磁悬浮轴承支承的单盘柔性转子进 行了振动响应数值计算分析。仿真结果表明：采用比例-微分控制的磁悬浮轴承转子系统在飞机转弯和俯冲拉升时，转子进动中 心会随着机动飞行过程发生偏移，转子振动增大，可能与磁悬浮轴承发生碰摩故障；采用比例-积分-微分控制时，磁悬浮轴承可以 以增大控制电流为代价减小机动飞行对转子振动的影响。为了实现磁悬浮轴承在航空发动机等机载旋转机械上的应用，在磁悬 浮转子系统设计时要充分考虑机动飞行对振动响应的影响。     

机动飞行下的涡轮叶尖间隙动态变化规律

在对涡轮叶尖间隙的变化机理进行初步分析的基础上,建立机匣、叶片和转子的简化模型,并重点研究了转子在飞行器机动飞行情况下的振动幅值对叶尖间隙的影响.结果表明:高压涡轮叶尖间隙动态变化范围约为0.44mm到1.45mm,同时飞行器均加速导致的转子振动会引起间隙局部增大或减小,俯仰机动和水平盘旋机动飞行都会使得间隙动态变化的非线性明显增强.      

基础振动对转子系统动力特性影响的试验研究

为了满足航空发动机转子系统的动力学设计需求,采用试验方法研究基础的振动幅值和振动频率对转子系统横向振动的影响。结果表明,基础振动对转子动力特性的影响具有方向正交性,基础的水平振动仅影响转子的水平振动响应。转子与基础产生振动耦合,其轴心轨迹的形状和大小受基础振动幅值和频率共同影响,转子振动幅值随基础振幅增加而线性增加,随频率的增加呈二次函数增长,振幅比最大可以达到4。由于基础过大的振幅或频率会带来轴心轨迹的复杂变化,导致振动响应过大,在航空发动机的转子动力特性设计中,必须考虑和有效控制基础的振动幅值和频率,以降低转子系统的振动响应。     

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.      

考虑中介轴承波纹度的双转子系统的非线性振动

针对考虑中介轴承波纹度的双转子模型,应用转子动力学理论和拉格朗日方程建立系统的运动方程,采用数值方法求得系统的非线性振动响应,并分析了转速、波纹度最大幅值、波纹度波数和波纹度初始幅值对系统动力学行为的影响规律.结果表明:波纹度对高、低压转子动力学行为的影响规律基本一致,随着转速的增加,高、低压转子的运动表现为周期运动与非周期运动交替变化,在较低转速区可能发生概周期及混沌运动.随着波纹度最大幅值的增大,系统可由周期运动演化为周期2运动、概周期运动及周期4运动,表明波纹度最大幅值增大时不利于系统的安全平稳.当波数为滚动体数的整数倍时,系统可能出现概周期及混沌等复杂非周期运动.随着波纹度初始幅值的增大,系统表现为概周期运动与混沌运动交替出现,但波纹度初始幅值相对较大时转子系统的振动幅值相对较小.      

转子不平衡量对角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性的影响

建立了高速角接触球轴承-刚性转子系统完全动力学数值仿真模型。以某仪表轴承支承的转子系统为例,分析了转子不平衡量对转子振动响应、轴承内部载荷分布以及保持架质心运动轨迹、频域幅值变化及其磨损的影响。结果表明:无转子不平衡量时,转轴振动仅包含保持架频率,而转子不平衡时,转轴振动除保持架频率,还包含内圈频率及其倍频。随着转子不平衡量的增大,内圈频率对应的转轴振动幅值逐渐增大,而保持架频率对应的转轴振动幅值先减小后增大。球与内外圈接触载荷波动随着转子不平衡量的增大而增大,且载荷包含了保持架频率与内圈频率的多种耦合频率。转子不平衡量越大,保持架质心运动越不稳定,而保持架磨损率反而逐渐降低。保持架质心运动除保持架频率外,还包含保持架频率与内圈频率的耦合频率,说明保持架运动受转子振动的影响。      

轴段可调节式双转子结构动力特性模拟试验台设计与优化

为了解航空发动机双转子的动力学特性，搭建了轴段可调节式双转子结构动力特性模拟试验台，其主要包括高速电机、 低压转子、高压转子、模拟盘、支架、齿轮箱、基座等。采用有限元法和变换哈默斯利算法相结合的联合仿真方法，对试验台进行了 临界转速的计算及优化；计算了双转子系统的稳态不平衡响应，分析了临界转速变化对转子系统振动特性的影响。结果表明：优 化后试验台前4阶临界转速与原型机实测临界转速的误差在5%以内，试验台能较好的模拟原型机动力学特性；优化后各轴承处 最大响应幅值中的最大值明显减小，试验台具有良好的振动特性。     

碰摩双转子系统弯扭耦合振动分析与实验

针对航空发动机双转子系统,利用拉格朗日方程建立了含碰摩力的弯扭耦合动力学方程,采用龙格-库塔法进行数值计算,结合瀑布图、频谱图、分岔图、庞加莱截面图、幅频曲线分析了弯曲振动和扭转振动的频谱特征和分岔特性;利用增量式编码器对转子实验台进行了扭转振动测量,验证了数值计算得到的频率特征。研究结果表明:弯扭振动具有相似的特征频率,包括倍频、分数倍频、工作频率与倍频/分数倍频的组合频率,但扭转振动的特征频率更加明显;两者还具有相似的分岔过程和相同的分岔点,在每个分岔点处都存在幅值跳跃现象。      

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.     

Nonlinear Dynamics Behaviors of a Rotor Roller Bearing System with Radial Clearances and Waviness Considered

A rotor system supported by roller beatings displays very complicated nonlinear behaviors due to nonlinear Hertzian contact forces, radial clearances and bearing waviness. This paper presents nonlinear bearing forces of a roller bearing under four-dimensional loads and establishes 4-DOF dynamics equations of a rotor roller bearing system. The methods of Newmark-β and of Newton-Laphson are used to solve the nonlinear equations. The dynamics behaviors of a rigid rotor system are studied through the bifurcation, the Poincar è maps, the spectrum diagrams and the axis orbit of responses of the system. The results show that the system is liable to undergo instability caused by the quasi-periodic bifurcation, the periodic-doubling bifurcation and chaos routes as the rotational speed increases. Clearances, outer race waviness, inner race waviness, roller waviness, damping, radial forces and unbalanced forces-all these bring a significant influence to bear on the system stability. As the clearance increases, the dynamics behaviors become complicated with the number and the scale of instable regions becoming larger. The vibration frequencies induced by the roller bearing waviness and the orders of the waviness might cause severe vibrations. The system is able to eliminate non-periodic vibration by reasonable choice and optimization of the parameters.     

基于弹流润滑转子-滚动轴承系统碰摩-不对中耦合故障的动力学分析

研究弹流润滑(EHL)转子-滚动轴承系统在碰摩-不对中耦合故障状态下的动力学响应.基于EHL理论与Hertz弹性接触理论,并考虑转静碰摩故障与转子不对中故障,建立耦合故障作用下转子-滚动轴承系统非线性动力学微分方程,通过龙格库塔数值解法进行求解得到故障状态下系统振动响应,对比分析其结果并在航空发动机转子实验台进行验证.研究结果表明:①考虑EHL理论对单一碰摩故障系统的影响较大.考虑EHL理论的系统进入拟周期运动与周期2运动状态时的转速较未考虑EHL理论系统明显提高,周期2解所处的转速区间较未考虑EHL理论系统大.②考虑EHL理论对碰摩-不对中耦合故障系统的影响较大.考虑EHL理论的系统由周期1解进入拟周期运动,且进入拟周期状态时的转速较未考虑EHL理论的系统明显提高.③通过计算结果与实验结果进行对比分析,可发现考虑EHL理论的耦合故障系统的转子在1/2倍频与2倍频处的振动响应均弱于未考虑EHL理论的系统,考虑EHL理论的模型比未考虑EHL理论的模型能更准确体现耦合故障系统的振动响应.     

高速永磁电动机气体轴承-转子系统振动特性

结合45kW高速永磁同步电动机试验装置及系统,研究了轴承供气压力和升速率对轴系稳定性的影响.针对升速过程中的分岔图、频谱图以及轴心轨迹等特征进行分析,发现高速永磁电动机中存在低频振动的特性.试验结果表明:通过调整轴承供气压力,转子升速的分岔点由18400r/min推迟到38900r/min,并消除了38900r/min以下的半速涡动;改变升速率(升速率由825(r/min)/s变为660(r/min)/s),转子通过临界时工频幅值从95μm降低到75μm.      

气体润滑轴承-转子系统非线性动力学特征的实验

对高速气体润滑轴承转子系统进行了稳定性试验研究.通过轴心轨迹、频率耦合三维图、频谱和分叉图,分析了系统非线性行为特征.实验证明气体润滑轴承-转子系统中的气膜涡动是系统非线性失稳的主要原因,气膜涡动导致的倍周期分叉是系统进入混沌振动的必由途径.通过调整系统固有频率和气膜润滑涡动频率之间的耦合关系,使得失稳转速远离设计转速;以及利用试验中所证实的混沌"有界"性质,有效的控制振幅,将是提高转子-轴承系统非线性稳定性的新途径.      

含滚动轴承的同向和反向旋转双转子系统动力学响应

以双转子航空发动机为研究对象,建立了航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.模型中考虑了低压转子与高压转子的中介轴承耦合作用,滚动轴承模型中考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(varying compliance)振动等因素.利用仿真模型,进行了同向和反向旋转双转子系统的拍振响应分析,结果表明当高低压转子的转速差较小时,双转子系统的拍振响应明显.同时研究了同转和反转双转子系统轴心轨迹响应的差异,研究表明反向旋转双转子系统的轴心轨迹会形成“花瓣”状.最后,利用双转子试验器验证了仿真结果的正确性,进一步验证本文所建模型的正确性.      

高重合度齿轮传动系统的振动参数稳定性

研究了高重合度齿轮转子-滚动轴承传动系统的振动强度稳定性以及振动轨道稳定性随系统参数的变化规律。通过振动强度参数稳定域的计算,量化了高重合度齿轮副对齿轮转子 滚动轴承传动系统稳定性提升的贡献大小。结果发现在转子质量偏心较小的条件下,高重合度齿轮系统的振动强度稳定性要比普通重合度齿轮系统提升很多；但在转子质量偏心较大时,高重合度齿轮副的采用对传动系统参数稳定域的扩张并没有显著贡献。通过振动轨道稳定性全局分岔图的计算,明确了滚动轴承游隙、转子质量偏心等参数对高重合度齿轮转子-滚动轴承系统振动轨道稳定性的影响规律,获得了系统各种稳定周期轨道及非周期轨道与对应参数区间的映射关系。      

Nonlinear dynamic behavior of a flexible asymmetric aero-engine rotor system in maneuvering flight

Aero-engine rotor systems installed in aircraft are considered to have a base motion. In this paper, a flexible asymmetric rotor system is modeled considering the nonlinear supports of ball bearings and Squeeze Film Dampers (SFDs), and the dynamic characteristics of the rotor system under maneuvering flight are systematically studied. Effects of the translational accelerative motions, the angular motions and the pitching flight with combined translational and angular motions on nonlinear dynamic behavior of the rotor system are investigated. The results show that, due to the nonlinear coupled effects among the rotor, ball bearings and SFDs, within the first bending resonance region, responses of the rotor show obvious nonlinear characteristics such as bistable phenomenon, amplitude jumping phenomenon and non-synchronous vibration. Translational acceleration motion of the aircraft leads to axis offset of the rotor system and thus results in the reduction and the final disappearance of the bistable rotating speed region. The pitching angular motion mainly affects rotational vibration of the rotor system, and thus further induces their transverse vibrations. For the pitching flight with combined translational and angular motions, a critical flight parameter is found to correspond to the conversion of two steady responses of the rotor system, in which one response displays small amplitude and synchronous vibration, and the other shows large amplitude and non-synchronous vibration.     

双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘振动抑制作用分析

将压电分支电路引入失谐叶盘结构，形成机电耦合系统，给出了机电耦合系统动力学方程的推导过程，并从理论上研究了压电分支阻尼对失谐叶盘结构响应放大的抑制效果.通过构造双周期分布式压电分支电路，研究了双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘结构的振动抑制效果，并与单周期压电分支电路进行了对比，对比结果显示压电分支阻尼（包括单周期压电分支阻尼以及双周期分布式压电分支阻尼）均能有效降低随机失谐叶盘结构的响应放大，其中双周期机电耦合系统响应放大因子统计分析结果小于1的概率在99.7%以上，基本消除了失谐叶盘结构的响应放大现象.通过合理地设计系统的双周期模式，能够获得比单周期更好的失谐响应放大抑制效果.此外，压电分支阻尼使得随机失谐叶盘结构的失谐“阈值”现象消失，提高了叶盘结构的失谐鲁棒性.      

利用轴瓦可调轴承控制柔性转子系统的振动响应

提出了一种轴承下瓦可移动轴承,该轴承可以通过改变轴瓦的位置调整转子系统的工作状态。介绍了这种可调椭圆轴承的结构和工作原理,该轴承结构可以实现在连续工作状态下调节轴承椭圆度,而且与传统固定瓦轴承相比更加适合变工况下运行。通过FEM数值方法建立了转子-可调轴承模型,利用该模型研究了可调椭圆轴承对转子加速过程中动力学特性的影响。通过研究发现,转子未达到临界转速前增大椭圆度可以有效减小转子的振动幅值,抑振作用可达到65%;当接近临界转速时,减小椭圆度可以使转子的共振振幅明显降低,抑振作用达到37%左右;越过临界转速后再增大椭圆度有效减小转子振动,抑振作用可达到60%。然后搭建与理论模型完全一致的转子-可调轴承试验台,经过试验验证,证实了在升速过程中,合理调节椭圆度可以明显减小转子的振动,让转子系统更加平稳地升速到工作转速。     

低前挡板型小尺寸刷式封严泄漏特性的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合状态的低前挡板型小尺寸刷式封严的转子轴心轨迹和泄漏特性进行了实验研究.转子的轴心位移采用电涡流传感器进行测量，其测量结果表明:压差小于0.4MPa时，转子轴心位移随压差的增大略有减小；当压差达到0.4MPa后，其轴心位移范围不再随压差而变化；在不考虑磨损的情况下轴心位移对不同配合状态的封严泄漏特性基本没有影响.由此确保了封严试验台的安全性和有效性.在此基础上，试验研究了转子转速、上下游压差以及封严间隙对泄漏特性的影响.结果表明:泄漏系数随转速增加略有减小；间隙配合下有明显的滞后，过盈配合下滞后不明显；磨损对泄漏的影响在过盈配合下比较显著；间隙配合下压差在0.1～0.2MPa泄漏系数随压差的升高而增大，压差为0.3MPa时泄漏系数降低，0.3MPa以后泄漏系数变化趋于稳定；过盈配合下泄漏系数随压差的升高总体呈增大趋势，压差在0.3～0.5MPa时增大的趋势较小，泄漏系数较为稳定.