双转子涡扇发动机碰摩振动特征研究

针对某双转子涡扇发动机转子叶片-机匣碰摩振动问题,建立了新型叶片-机匣碰摩的力学模型。将所提出的碰摩模型 应用于某型发动机转子-支承-机匣整机模型中,开展了高压涡轮转子叶片和高压涡轮机匣的碰摩仿真分析。分析结果表明：碰摩 导致整机振动值较大幅度的增大,同时伴随着高压转子倍频和高低压组合频振动成分。对某发动机整机试车振动数据分析表明： 其振动偏大主要是由于工作过程中转子和静子机匣的热变形不协调导致的高压涡轮转子叶片和高压涡轮机匣的碰摩引起的,主 要特征表现为振动总量和高压基频振动的增大,同时伴随明显的高压2倍频振动和高低压组合频振动。仿真分析结果与发动机 实测振动数据基本一致。     

某型涡扇发动机高压转静子碰摩故障研究

基于某型双转子涡扇发动机高压转、静子在工作中发生的碰摩现象,通过碰摩消除前后的整机振动响应对比,总结了高压转、静子碰摩的典型振动特征,结合碰摩特点及相关振动理论研究,建立了高压压气机转、静子碰摩模型,应用龙格库塔(Rung-Kutta)法求解模型特定转速下碰摩位置振动响应的频谱图。计算与试验结果表明:双转子结构发动机发生转、静子碰摩时靠近碰摩位置的机匣振动响应会出现次谐波、高次谐波和组合谐波成分,且随碰摩接触面积的增加而增加。     

航空发动机双转子轴间碰摩非线性动力学特性

航空发动机双转子之间通常采用封严结构,容易导致双转子发生轴间碰摩。针对双转子轴间碰摩问题,推导了轴间碰摩力模型,结合实体有限元法建立了双转子轴间碰摩动力学模型,并将固定模态界面综合法和数值方法结合,提出了此类高维转子轴间碰摩响应的一般计算流程。基于该计算流程,详细研究了轴间碰摩导致的双转子复杂非线性动力学特性。结果表明：双转子发生轴间碰摩时,主要存在持续碰摩、间歇碰摩和自激振动三种碰摩状态。持续碰摩主要引起双转子间振动耦合;间歇碰摩对转子产生较明显冲击特征,导致转子频域响应中出现多阶模态频率成分及组合频率成分;自激振动则是由切向摩擦诱发的、转子正进动模态频率成分主导的一种运动状态,此时转子呈正向涡动,但振动幅值很高,对转子危害极大。通过减小摩擦系数或碰摩刚度,能显著减小自激振动发生的转速范围,提升转子运行稳定性。     

带柔性静子部件的轴承共腔涡轴发动机碰摩特征

为研究具有轴承共腔结构的涡轴发动机在发生转、静子碰摩时转子-机匣系统动力学特征及机匣振动响应特征,建立了简化的转子-机匣碰摩动力学模型,并通过Runge-Kutta法进行求解。仿真结果表明:当发生转、静子碰摩时,机匣响应频谱中出现转子高倍频及其组合频率成分,高倍频成分幅值随碰摩程度加重而增大。对该型发动机进行台架试车实验,验证了该模型和结论的有效性。并利用不具有该结构的某第二代涡轴发动机试车的碰摩数据,进一步验证了带柔性静子部件的轴承共腔发动机中双转子间存在运动耦合,为涡轴发动机振动监控与故障诊断提供一定的理论依据。      

对转双转子局部碰摩故障实验

针对航空发动机涡轮机匣的结构特点,设计了一种可以模拟局部碰摩故障的实验装置.利用对转双转子实验器,实验研究了高、低压转子对转时,单独及同时发生局部碰摩的振动特性.结果表明,对转双转子涡轮发生局部碰摩时,静子的振动信号中会出现高倍频、分数倍频及组合频率成分,通过组合频率成分,可以判断是否发生碰摩及碰摩发生的部件.     

旋转机械转静子碰摩振动特性

从有关旋转机械转静子碰摩的物理现象、结构特征及振动特性的理论和试验研究中,结合在双转子模型结构的转静子碰摩振动特性的探索,综述了Jeffcott模型和双转子模型在转静子发生碰摩时的振动特征以及对机械结构的影响。     

航空发动机篦齿-橡胶涂层机匣碰摩实验

为了探明航空发动机增压级篦齿与橡胶涂层机匣碰摩引起的转静子振动特征,设计了转静局部碰摩实验器,测量和分析了不同转速碰摩过程中的转子振动位移、机匣与支座振动加速度、机匣与弹性支承应变、机匣温度等信号的时频域变化规律。结果表明,橡胶涂层的可磨损性和可熔化性对转静碰摩振动特征影响较大,碰摩过程中转静接触状态动态变化,碰摩呈现出能量高、突变性强、短时自脱离的特点,碰摩过程测量信号经过突变后可快速恢复原状态,碰摩激起转静子耦合振动,产生转子、静子固有频率共振,同时存在机匣固有频率与转频的调制振动。     

双盘转子碰摩的弯曲和扭转振动实验研究

设计了 1个新型多自由度的双盘转子动静件碰摩实验器。应用该实验装置 ,重点研究了转子动、静碰摩后的转子弯曲和扭转振动。实验结果表明 ,转静件碰摩主要激起系统扭转自然频率振动 ;同时 ,弯曲振动复杂。不同情况下的转静件碰摩 ,转子具有不同的弯曲和扭转振动响应。根据转子扭转振动的变化可诊断转静件碰摩故障 ,与理论研究的结果相吻合     

转子-支承-机匣系统碰摩试验及特征提取

针对航空发动机转子系统的结构特征和转静件碰摩的动力学特征,建立了转子-支承-机匣系统碰摩模拟试验器.对叶片与机匣间轻微碰摩和严重碰摩两种工况下转子和机匣振动响应进行了试验测量,并基于连续小波变换和连续小波包能量的时-频分析方法分别对转子和机匣的振动信号进行了特征提取.结果表明机匣响应信号同时包含高频冲击信号和低频摩擦信号,轻微碰摩时以碰撞冲击效果为主,机匣响应主要为高频冲击信号;严重碰摩时摩擦效应增强,可为碰摩故障诊断和识别提供方法和依据.      

碰摩引起的双转子系统弯扭耦合振动数值仿真

针对共腔结构的航空发动机双转子系统单点碰摩和局部碰摩引起的弯扭耦合振动问题,建立了含碰摩力、不平衡力、转 速控制力矩的弯扭耦合动力学模型。采用4阶龙格-库塔法进行数值仿真分析,结合时域图、频域图、轴心轨迹图分析了转盘偏心 距、碰摩刚度等参数变化以及碰摩类型、转速控制时延等对双转子系统弯扭耦合振动特性的影响。结果表明：偏心距和碰摩刚度 的增大,会加剧碰摩,其特征频率的最大幅值分别增大了0.1×10-4 m和4×10-4 m左右;局部碰摩的振动响应要比单点碰摩的更加剧 烈,其特征频率的幅值更大,特征频率的成分也更复杂;转速控制时延会使系统振动不稳定,且延迟时间越长,系统振动越不稳定。 在航空发动机设计时应当充分考虑转速控制时延的影响。     

转子与限位器局部与整圈碰摩试验研究

设计了储能飞轮转子与限位器碰摩试验装置,用电磁激振器激励转子,激振频率与转子—支承系统模态进动频率一致,得到了大幅度低频异步反向进动并实现碰摩。分析了碰摩力对转子运动的影响。局部碰摩转子的稳定振动表明内置式限位器能够有效地限制转子低频进动幅度,局部碰摩的特征是低频进动幅值不再增加、碰摩间断发生以及转子自转速度不变。      

旋转失速激振力作用下航空发动机转子振动特性

为分析转子系统在压气机旋转失速故障作用下的横向振动，针对某型航空发动机转子系统，根据Mansoux模型推导了旋转失速下的压力、流量脉动响应及旋转失速横向激励力模型，并结合不平衡力、碰摩力模型，建立了航空发动机转子系统的动力学模型.仿真计算了不同工况下旋转失速激振力对转子系统振动响应，通过轴心轨迹图、频谱图、Poincare图、Bode图分析了旋转失速激振力对转子系统稳定性的影响.结果表明:旋转失速引起压气机转子强烈的非线性振动，并主要是低频振动.研究成果可为航空发动机设计和振动监测提供技术支持.      

航空发动机碰摩故障识别可视化技术

通过将计算机图形可视化技术引入碰摩故障识别,进行航空发动机碰摩故障识别技术研究。对航空发动机转子叶片和机匣等关键部件进行可视化建模,根据转子和机匣的振动位移,进行转静碰摩部位检测,对碰摩时产生的火花进行模拟,以直观展现碰摩故障。利用有限元碰摩故障仿真实验,进行航空发动机转静碰摩故障识别和模拟验证,结果表明了方法可以有效地识别出碰摩故障,并直观地显示出碰摩效果。     

新型叶片-机匣碰摩模型及其验证

针对航空发动机叶片-机匣碰摩故障,提出了一种新型叶片-机匣碰摩模型,该模型在传统弹性碰摩模型的基础上,考虑了叶片数和转静间隙变化对碰摩力的影响,能够模拟机匣单点、多点、局部及全周,转子的单点、多点、局部和全周的碰摩规律.将所提出的碰摩模型运用于转子-支承-机匣耦合动力学模型中,利用数值积分获取碰摩故障下的机匣加速度响应规律.利用带机匣的航空发动机转子实验器,进行了叶片-机匣的机匣单点-转子全周的碰摩实验,发现了机匣振动加速度信号的碰摩特征具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为叶片通过机匣的频率,在数值上等于旋转频率与叶片数的乘积,在频谱高频段出现了叶片通过频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,倒频谱具有旋转频率及其倍频的倒频率成分,仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的叶片-机匣碰摩新模型的正确有效性.最后,在此基础上,仿真计算了多种碰摩模式下的机匣振动特征和规律.      

航空发动机叶片-机匣碰摩故障的机匣振动加速度 特征分析及验证

为了提取叶片机匣碰摩状态下的机匣振动加速度特征,利用航空发动机转子系统模型的试验器,进行了转子叶片-机匣的单点碰摩和偏摩试验,通过频谱分析和倒频谱分析方法,分析了机匣振动加速度信号的碰摩特征,结果表明:机匣振动加速度具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为旋转频率与叶片数的积,在频谱上出现了该冲击频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,在频率上表现出冲击频率及其倍频两侧出现了以旋转频率为间隔的边频带族。从倒频谱图中可以明显看出转频及其倍频的倒频率成分,并用实际航空发动机试车数据验证了分析结果。     

虑及多转速的核心机转子高速动平衡试验

为满足航空发动机整机动平衡对转子不平衡振动精稳抑制的需求，采用虑及多转速状态的转子高速动平衡优化配平方 法，开展了核心机转子动平衡试验。以核心机转子系统为对象，研究在高压压气机转子第4、9级盘上配重抑制高压涡轮振动的可 行性。综合考虑核心机转子在多转速下的振动状态，以残余振动平方和及残余振动最大值为目标函数，采用优化算法对配平方案 进行优化，制定了核心机转子高速动平衡方案。在核心机转子系统试验台上分别进行了单平面-单转速、单平面-多转速、双平面- 单转速以及双平面-多转速动平衡的试验。结果表明：采用虑及多转速状态的转子高速动平衡优化配平方法能使因不平衡引起的 核心机转子振动在工作转速区间内均有所减小。     

热膨胀诱导的转子轴向窜动与摩擦振动

对非均匀温度场以及温度时变特征的影响进行量化,研究热膨胀引发的转静件间隙变化及其接触挤压,将Hertz点接触挤压模型改进为环带面接触挤压形式.在此基础上建立了考虑面摩擦作用的转子动力学模型.最后采用数值积分法对模型进行求解,并研究升温时段和恒温时段环带面摩擦力对系统的影响.分析表明热膨胀诱导的转静轴向间隙变化所引发的摩擦是转子系统典型故障之一,也是影响发动机正常运行的重要因素.      

双盘悬臂转子的不平衡-定点碰摩耦合故障研究

以双盘悬臂转子系统为研究对象,建立了含不平衡-定点碰摩耦合故障的动力学模型.在耦合模型中,定点碰摩的碰摩力采用非线性滞回力模型来表征.在数值仿真过程中,采用线性插值法确定碰摩发生瞬时.利用数值仿真的结果分析机匣凸点材料的软、硬特性,凸点的凸出程度对转子碰摩响应的影响.结果表明:当凸点的材料较硬时,转子系统在较低的转速便会产生拟周期运动;对于较为尖锐的凸点,系统响应会表现出周期、拟周期等丰富的非线性动力学现象;转/静子间隙过小时,系统将在较宽的转速区间内产生复杂的非线性振动.