突加不平衡激励碰摩转子反向涡动分析

建立了考虑叶片-机匣碰摩、挤压油膜阻尼的模型,推导了转子发生失稳的判别条件。从复非线性模态角度分析了突加不平衡激励下转子的动力特性,揭示转子反向涡动响应的形成过程及存在条件。通过参数分析获得转子发生反向涡动的敏感参数及其影响规律,并根据突加不平衡激励下转子反向涡动的响应特征分析某航空发动机叶片飞失故障。计算结果表明：转子能够发生反向涡动需要满足两个条件,其一,转子本身存在反进动模态失稳区;其二,冲击载荷使叶盘幅值达到反进动模态阻尼失稳点并进入反进动模态失稳区。实际航空发动机转子中具有因突加不平衡而发生反向涡动的风险,会造成支承结构破坏,严重威胁航空发动机的安全。增加转子阻尼、降低叶尖-机匣摩擦因数、降低静子叶片刚度、采用挤压油膜阻尼结构均有利于降低该风险。     

碰摩约束下柔性转子模态特性及其计算方法

以航空发动机低压（LP）转子为代表的柔性转子,通常具有两端大质量、细长轴和长跨度支承的"弱刚度"结构力学特征,这使得碰摩产生的约束作用不可忽视,其将会导致柔性转子模态特性改变,进而造成临界转速等动力学目标偏于设计状态。本文以典型航空发动机低压柔性转子为对象,结合梁单元法提出了此类复杂转子在碰摩约束下的动力学建模方法;将谐波平衡思想与频域的自由度缩减技术结合,提出了相适用的非线性模态求解方法;在此之上基于ANSYS和MATLAB平台,建立了含碰摩约束的复杂转子非线性模态分析的一般流程。将方法应用到某型柔性转子系统,成功获得其模态特性,结果表明：碰摩约束使转子模态频率增加,且随转子振幅增加而增加,尤其是对风扇碰摩较为敏感的一阶弯曲模态,正/反进动模态频率变化率可达16%和29%,但模态频率的变化始终在特定区间内;碰摩对转子模态频率的影响程度与陀螺效应、转子振型及机匣刚度密切相关,但对摩擦系数不敏感。由于接触点处摩擦力做功影响,柔性转子各阶反进动模态阻尼在碰摩严重时小于0,反进动模态能发生失稳。     

电磁轴承支承的柔性转子在轴承失效后坠落过程中的瞬态响应

研究了主动电磁轴承支承的单盘柔性转子系统在磁轴承失效后转子坠落在带有固定间隙的滚动型备用轴承上的瞬态响应,分析了备用轴承的各种参数对瞬态响应的影响。结果发现系统出现了以自由落体-碰撞弹起-自由落体为特征的在间隙圆底部的摆动运动、以碰撞弹起-加速落体-碰撞弹起为特征的在整个间隙圆范围的碰撞型回转运动以及轴颈与备用轴承始终接触在一起的摩擦型回转运动等3种运动形式。碰撞型回转运动实际上是由碰撞过程中部分周向的摩碰引起,而摩擦型回转运动是由轴颈与备用轴承之间的全周干摩擦所致。碰撞型回转运动和反向摩擦型回转运动对备用轴承的影响最为严重。     

轴向间隙对高速双涡轮转子稳定性的试验

通过轴向间隙静态试验判断轴承供气压力不同时的轴向间隙，采用时间三维谱图、轴心轨迹、频谱分析等非线性振动测试及分析方法，研究了轴向间隙对高速涡轮转子稳定性的影响.结果表明:当左右两侧轴向间隙不相等时，在升速过程中会出现气膜振荡和半速涡动现象；当左右两侧轴向间隙相等时，气膜振荡和半速涡动消失，能提高轴承转子系统的稳定性.      

黏弹减摆器非线性特性对直升机前飞空中共振的影响分析

提出了一种基于复模量的黏弹减摆器非线性VKS改进模型,得到了减摆器单频及双频条件下复模量随动幅值变化的非线性特性;采用Floquet传递矩阵法计算了某直升机摆振后退型模态阻尼随前进比的变化。结果表明:直升机前飞时减摆器处于双频工作状态,与悬停时相比,空载及满载时耗能模量分别下降了50%及60%左右;从悬停转入前飞,空载时摆振后退型模态阻尼下降30%、满载时下降37%左右。     

带机体状态反馈的直升机地面共振分析

建立了带机体状态反馈的直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型,研究了机体反馈系数对直升机地面共振的影响。根据Floquet理论采用传递矩阵法计算了系统的模态频率及模态阻尼,并用非线性模型的数值仿真进行了验证。结果表明,机体滚转角位移和角速度反馈能有效地提高摆振后退型模态阻尼;但当机体滚转姿态角反馈系数过大时,以挥舞后退型模态为主的旋翼挥舞与机体运动之间相互作用,导致直升机出现动不稳定性。     

相位延迟边界条件在叶轮机械颤振分析中的应用

基于带相位延迟的周期边界条件,建立了某跨声速转子的双通道高效气动阻尼计算模型.数值计算了该转子的气动性能、颤振边界和叶片模态,和实验数据吻合较好.通过传统的多通道能量法以及双通道方法计算了叶片在一弯模态,不同叶片间相位角条件下的气动阻尼,获得了基本一致的计算结果,而双通道方法相比于传统的多通道能量法计算效率提升约7.7倍,内存需求约为后者的0.45倍.不同叶片振幅对气动阻尼结果的影响研究表明,对于较小的叶片振幅,流动非线性对气动阻尼计算结果仍然有显著的影响.不同工况的计算结果表明:叶片间相位角对转子叶片的气动阻尼有显著的影响,对于该转子最小的气动阻尼均在叶片间相位角为-42.4°时得到;同时,在近颤振状态,不同叶片间相位角对应的气动阻尼均小于近设计状态.     

转子进动分析的4个定理

建立4个关于转子进动的定理.定理1为转子进动圆的面积定理;定理2为转子进动圆的周长定理;定理3和4则描述了转子上的作用力及其所作的功与转子进动的关系.应用上述定理,对不平衡力、阻尼力和反对称交叉刚度产生的弹性力所做的功进行了分析.所得结论与经典理论一致.但发现,ω_y＜Ω＜ω_x时,由于|r_-|＞r₊|,反对称交叉刚度产生的弹性力做负功,W＜0.这种情况下,反对称交叉刚度为镇定因素,有利于抑制反进动失稳.      

非线性叶间黏弹减摆器对直升机空中共振的影响分析

 建立带非线性叶间黏弹减摆器的直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型。与全机飞行力学平衡计算相结合，旋翼/机体耦合动稳定性分析模型考虑前飞状态桨叶变距操纵、机体姿态角和桨毂纵向安装角。针对具有非线性特性的叶间黏弹减摆器，采用基于复模量的非线性VKS改进模型、Simulink时域仿真和多桨叶坐标变换等效阻尼识别法分析直升机悬停、前飞状态下旋翼/机体耦合动稳定性及减摆器双频动幅值，并就减摆器布局、全机总重以及前飞速度对桨叶摆振后退型模态阻尼的影响进行分析。结果表明：由悬停到前飞直升机动稳定性一般均下降，一定速度后又上升；加上减摆器能消除前飞不稳定区；叶间黏弹减摆器抬头连接能提高模态阻尼。     

Modal analysis strategy and nonlinear dynamic characteristics of complicated aero-engine dual-rotor system with rub-impact

This paper aims to gain insight into the nonlinear modal characteristics and the possible influence of the modes on the responses for the practical dual-rotor system with rub-impact in aero-engine. The finite solid element method combined with a constraint stiffness model produced by rub-impact is introduced to build the governing equation of the complicated nonlinear dualrotor system. In order to deal with the efficiency and numerical divergence in the process of solving the nonlinear modes of ...     

安装节刚度对发动机整机耦合振动的影响分析

以带机匣的航空发动机转子试验器为研究对象，建立了模拟实际发动机安装条件下试验器的整机有限元模型。对试验器进行了整机模态试验，并利用试验器的模态试验结果对有限元模型进行了修改和验证。在此基础上，仿真计算了自由安装边界、固定安装边界和不同安装节刚度的弹性安装边界的试验器前3阶固有频率和模态振型，通过定义转静耦合因子，研究了安装节刚度对试验器转子、静子耦合程度的影响。结果表明:模态振型的转子、静子耦合程度越高，安装条件对该阶模态影响越大，并且安装节刚度对转子、静子耦合程度影响是非线性的。由于实际大型涡扇发动机的在很多模态下均存在转子、静子耦合现象，因此安装节的刚度对转子、静子耦合作用的影响不容忽视，在有限元建模和仿真计算中需要仔细考虑。      

压气机转子叶片颤振边界的预测方法

通过发展的基于能量法的颤振数值预测方法得到了压气机转子叶片的颤振边界.将计算结构动力学(CSD)分析得到的叶片表面节点位移插值到耦合面的流体网格点上,并将设计的多层动网格技术应用于计算流体动力学(CFD)方法,实现叶栅振荡作用下的非定常分析,得到叶片表面的非定常气动功以及模态气动阻尼比.以某第一级压气机转子叶片为例,对...     

上下游叶排对压气机转子叶片气动弹性稳定性的影响

使用自行开发的流固耦合程序集,分别考虑压气机上下游叶排的影响对转子叶片气动弹性稳定性进行分析.使用全环气动弹性模型通过叶片在非定常流场中振幅随时间的变化历程计算转子叶片不同振型下的气动阻尼,分析了不同的叶排轴向间距下尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.通过将考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子的结果作比较,总结了转子-静子结构和导叶-转子结构的干涉作用对转子叶片颤振特性的影响规律.结果表明:对于1阶弯曲模态,转子叶片气动弹性稳定性不随轴向间距单调变化;上游尾迹干涉作用和下游静子势干扰的增强会加剧1阶扭转模态失稳,但是却促进1阶弯扭耦合模态气动弹性稳定.      

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。      

干摩擦阻尼对旋翼动稳定性的影响研究

为了提高旋翼动稳定性理论模型的分析精度,需要精确地确定旋翼系统的结构阻尼系数。为此建立了旋翼变距拉杆球头关节干摩擦的阻尼模型,计入了球头关节的离心力对干摩擦阻尼的影响,然后用模型旋翼试验数据对稳定性分析结果进行了验证。结果表明,采用文中建立的干摩擦阻尼模型,预估的旋翼摆振后退型模态阻尼与试验数据吻合。     

用模态综合法分析发动机整机振动特性

本文试图把模态综合法与有限元素法相结合,对发动机转子——支承——机匣系统的整机振动特性进行分析。用状态空间广义模态综合法计算轴对称转子与机匣间的耦合振动,用复模态综合法计算非轴对称转子与机匣间的耦合振动。子结构分析采用有限元素法。转子采用具有粘性阻尼,考虑剪切变形的有限转子元素,用承受非轴对称载荷的截锥壳元素离散机匣。所编制的AROBEC程序可计算发动机整机系统的进动频率、临界转速、稳定性、不平衡响应及瞬态响应。目前该程序已实际应用于三种型号的发动机上,获得了满意效果。      

转子越过临界转速的振动特性试验研究

以盘偏置单盘双简支试验器转子为对象,由加速与减速的幅频特性曲线确定转子的临界转速。以幅频特性曲线模态计算法确定盘处的偏心距和阻尼比,用弯、扭耦合传递矩阵法计算临界转速及稳态不平衡响应,同时分析了偏心距及初始弯曲按一阶振型分配时,转子越过临界之振动特性。由试验与理论分析结果表明,加速度对振动特性有明显的影响。     

舰面状态直升机机体在起落架上的固有频率分析

针对起落架缓冲支柱和轮胎的非线性特性,应用等效线性模型,提出一种预估刚性机体在弹性起落架上的固有频率计算方法。利用缓冲支柱和轮胎的刚度和阻尼试验数据,采用循环迭代方法计算了机体耦合振动的固有频率;分析了直升机重量、旋翼拉力、舰面运动状态、舰面风力等因素对机体模态固有频率的影响。对最不稳定的机体侧向二阶模态而言,最大设计重量和大升力状态时其固有频率最低,与最小重量、零升力状态相比其稳定转速余度减少约133 r/min;文中假设的舰面运动状态和舰面风力对机体模态的固有频率影响很小,而采用纵、横侧向独立的简化模型来预估机体模态固有频率具有足够的精度。     

Investigation on nonlinear lateral-torsional coupled vibration of a rotor system with substantial unbalance

Substantial unbalance may be caused by fan blade off during the operation period of gas turbine engines, and related dynamic problems are very critical to the safety design of rotor system in aero-engine. This article aims to understand lateral-torsional coupled vibration of the rotor system with substantial unbalance. The governing equation of a modified unbalanced rotor system is established based on Lagrangian approach. Then, a mathematical analytical method is proposed in which a linear approximation is derived and the Floquet theory and Hill’s method are incorporated, from which the modal characteristics of the unbalanced rotor are obtained. The modal characteristics of the unbalanced rotor system are revealed comprehensively for the first time. Furthermore, the relation between the modes and responses of the unbalanced rotor is discussed in detail. The results show that the lateral vibration and torsional vibration of the unbalanced rotor are coupled through the inertial terms in the governing equations. Due to the coupling, veering and lock-in phenomena occur between the frequencies of the forward whirl mode and the torsional mode. Furthermore, lock-in can lead to a kind of principal instability. With regard to the response of the unbalanced rotor, both natural vibration components and enforced vibration components appear in the lateral response, while only natural vibration components appear during torsional vibration. Moreover, natural vibration components play a crucial role in the response within the principal instability region and cause divergence of the vibration amplitudes in the lateral and torsional directions.     

液体火箭发动机音叉式涡轮叶盘振动特性研究 (液体火箭推进专刊)

某液体火箭发动机采用整体叶盘音叉式涡轮转子，该转子盘-轴根部圆角试车考核中曾多次出现裂纹故障。为推断裂纹产生原因，通过数值计算及模态实验获取了该转子受力状态、振型、阻尼比等结构振动特性。结合振动信号分析，将裂纹故障原因聚焦到叶盘的二节径型振动。通过高频速变压力测量，得到涡轮流场内压力脉动数据，间接获取了该转子工作状态下的振动特性。试验表明被测涡轮转子流场通道内，分频幅值最大压力脉动对应涡轮转子2节径前行波振动，幅值约为11KPa。分析确定涡轮叶盘二节径振动是故障产生的主要原因。