压气机叶轮偏心引起的自激力和稳定性的理论分析

分析了轴流压气机叶轮偏心旋转时引起失稳力的机理、计算方法、转子失稳特性及稳定性边界等。结果表明, 压气机叶轮偏心旋转引起的自激力是推动转子反进动的, 因而可造成压气机转子反进动失稳。失稳是在一阶临界转速以上发生, 其特征是除有转速频率的振动外, 出现一阶反同步进动固有频率的振动, 合成非协调进动。失稳门坎值取决于叶轮的负荷和转速。      

航空发动机耦合双转子系统响应特性分析方法研究

涡扇发动机普遍采用耦合双转子结构,由于中介轴承耦合的影响及高、低压转子动力学特性的复杂性,导致转子-支承系统在设计时常无法避开所有临界转速。通过添加弹性及阻尼结构,可有效减小过临界转速时转子系统的振动。为分析耦合双转子结构过临界转速时的振动响应特性,可通过迭代法获得支点阻尼器的阻尼值,并利用过临界转速时稳态响应的Nyquist图椭圆近似特征对结果进行修正,从而得到更具参考价值的响应特性。     

静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性影响实验研究

为研究静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性的影响,设计了可单独改变油膜间隙的柔性转子系统,针对不同静偏心条件下,阻尼器减振性能,转子的抗振性能和非线性振动特征进行了实验研究。结果表明:静偏心会导致转子系统临界转速增大;静偏心比εs小于0.6,转子临界峰值随静偏心比增大而减小,εs在0.6~1.0范围内增大时临界峰值随静偏心比增大而大幅增大;εs增大时阻尼器失效不平衡量大幅减小,转子不平衡裕度和抗振性能大幅下降,将εs控制在0.2以内时,静偏心不会恶化阻尼器的阻尼效果;静偏心比(εs0.2)较小时,阻尼器失效表现为典型双稳态跳跃,静偏心比(εs0.3)较大条件下,阻尼器失效时可能表现出软弹簧非线性振动与非协调振动;根据阻尼器失效转子振动特征可判断阻尼器静偏心水平。     

航空发动机转子盘腔积油振动故障分析

结合工程中航空发动机转子在试验中遇到的积油振动问题,从积油振动理论、动力学特性和振动信号分析方面展开研究,剖析了转子盘腔积液故障机理,获得了所引起转子失稳振动的特征及规律,建立了盘腔积油故障识别的流程和准则,以及其振动监控指导。研究表明:积油在转子临界转速以上的特定区域才会产生明显的次谐波振动,引起转子自激振动,自激振动频率与转子1阶临界转速接近;在临界转速以下,仍以转频振动为主,且积油会导致过临界转速峰值增大;上述故障识别的流程和准则应用在某发动机试验件转子,准确地识别出盘腔积油特征,验证本文研究结论的正确性。      

支承结构参与振动对涡轮泵转子动特性的影响

针对采用弹性支承结构的高转速涡轮泵转子,建立了考虑支承结构参与振动的转子系统有限元模型,并对模型和计算方法的正确性进行了验证;以某涡轮泵转子为对象,采用三种不同的支承结构模型,计算分析了支承结构模型的差异,以及参与振动的支承结构质量对临界转速和模态振型的影响,并将临界转速计算和试验结果进行了对比分析。结果表明：支承结构的建模方法和参与振动的质量都对转子动特性有较大影响;支承结构参与振动会使转子支承动刚度相比静刚度明显降低,其中二阶临界转速下的动刚度相比静刚度降低达20.6%;考虑支承结构参振的转子动力学模型可将临界转速计算误差由8%降低至2%左右。     

超临界二氧化碳涡轮发电机振动试验

搭建20 kW超临界二氧化碳涡轮发电试验系统,开展涡轮发电机轴系临界转速数值仿真研究,对比分析空心轴与实心轴的前4阶临界转速与振型,并计算涡轮的前4阶模态频率。开展转速与负载对轴系振动特性影响的试验研究,采用频谱图分析转速0~48 000 r/min、负载0~20 kW下涡轮端与自由端壳体加速度振动响应。计算与试验结果表明:文中空心转子的临界转速高于实心转子的临界转速,有涡轮转子的临界转速低于无涡轮转子的临界转速。随着负荷从0 kW增加到15 kW,转子工频振动逐渐减小,但出现幅值较低的倍频振动;在转速区域11 000~40 000 r/min,不同功率下驱动端的振动响应低于自由端的振动响应,在转速48 000 r/min时,不同功率下驱动端的振动响应均高于自由端的振动响应。      

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。     

转子-齿轮耦合系统动力特性研究

对简单转子-齿轮耦合系统的运动过程及主要动力特性进行了分析与讨论。用该系统的齿轮动载系数,有效地描述了系统振动对齿轮啮合过程的影响程度;通过实例数据求得大齿轮轴的横向振动固有频率,分析了在大齿轮轴具有质量偏心距及无质量偏心距的情况下其系统动力特性的变化。     

对转双转子系统临界转速求解方法的改进与对比

为解决对转双转子航空发动机临界转速求解的难题,满足转子动力学设计需求,结合商业有限元软件,给出直接法和完全法两种临界转速求解方法,并结合算例详细论述了方法的理论基础和求解过程,最终以谐响应分析结果加以验证。研究结果表明：基于商业有限元软件特征值分析的完全法不需要任何振型信息,就可对正反进动曲线进行区分,极大简化了对转双转子系统临界转速的求解过程,而由有限元软件生成矩阵后进行处理并计算的直接法不需迭代,可由一次特征值求解得到全部临界转速。某双转子系统临界转速的计算结果表明,直接法、完全法和谐响应分析的结果完全一致。双转子对转时,正进动临界转速曲线随非激励源转子的转速绝对值增加而降低,使临界转速分布规律区别于同转转子,其动力特性需予以细致考虑。     

弹性环挤压油膜阻尼器-转子系统临界转速特性

弹性环挤压油膜阻尼器ERSFD是一种新型的旋转机械支点阻尼器,其良好的减振调频特性,能够有效地对转子振动进行控制。为了获得ERSFD-转子系统的临界转速特性,考虑了支点的刚度特性对临界转速的影响。首先,利用有限元接触分析技术和有限差分法计算,分别获得了弹性环和油膜的刚度特性,再通过ERSFD-转子系统的不平衡响应计算获得不同刚度特性下的临界转速特性,经转子动力特性试验验证,最终确定了影响临界转速的重要因素,即弹性环凸台处的接触状态。     

环形动力吸振器进行转子振动控制的实验

对环形动力吸振器在转子振动控制中的应用进行了实验研究,基于单圆盘转子模型和振动特征,设计了一种安置于轴承上的对分式环形动力吸振器.吸振器可以安装在两轴承间任意位置,不改变原有支撑结构,不影响转子动力特性.建立了转子吸振器减振实验台,对转子经过临界转速时的振动进行了实验,结果表明吸振器能有效降低转子经过临界转速时70%以上的振动.增加吸振器质量,可以精确调节吸振器固有频率,并拓宽减振频带.实验研究了吸振器安装位置与减振效果的关系,结果表明在转子振幅较大区域,减振效果较好.对比了不同数量吸振器在转子不平衡振动下的减振效果,结果表明安装2个吸振器的减振效果要好于单独1个作用时.      

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。     

飞行器机动飞行时发动机转子等变速运动的动力学特性研究

 建立了位于机动飞行器内单盘 Jeffcott转子系统的动力学模型,研究了飞行器飞行速度和加速度变化对飞行器内等加速、等减速两种等变速运行转子振幅响应曲线的影响,模拟了飞行器在垂直平面作正弦曲线轨迹运动时相应的响应曲线。结论表明飞行器的速度和加速度变化会改变飞行器内等变速转子的振幅大小和响应曲线趋势,飞行器在垂直平面作正弦曲线轨迹的机动飞行时,飞行器动作的幅度和周期的影响都很明显。对重力参数和不平衡参数的影响也作了研究。     

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.     

基于磁流变阻尼器的转子系统振动随动控制

针对大型旋转机械通过临界转速时振动过大的问题,搭建了转子系统实验台,实验台保持原本的支撑形式,并安装磁流变阻尼器,实验研究不同工况下磁流变阻尼器对转子系统振动的影响规律.结果表明:磁流变阻尼器可以有效抑制转子系统临界转速附近的振动,降幅可达90%.根据实验结果提出一种以振幅为反馈控制参数的随动控制方法,对转子系统的振幅变化进行追踪,根据振幅实时调节磁流变阻尼器电流,在线抑制振动.结果表明随动控制可以随着转子系统振动变化而在线改变控制电流,使转子系统振动稳定在目标值附近,实现了转子振动的自动调控.      

转子碰摩运动的非稳态分析

本文研究了一个柔性单圆盘挤压油膜阻尼器转子系统的非稳态碰摩运动。转子以定常角加速度通过临界转速时产生碰摩, 碰摩力由库仑摩擦定理确定。通过数值计算揭示在各种系统参数下, 角加速度对反向涡动的影响规律, 为防止转子通过临界转速时产生碰摩失稳提供一定参考。      

接触特性对非连续性转子热致振动的影响

针对燃气轮机转子的非连续性结构间存在的接触特性,根据微凸体理论引入接触刚度和接触热阻的等效模型,建立了某型燃气轮机非连续性转子的动力学模型,分析了接触参数对转子稳、瞬态动力学特性的影响,研究了螺栓松动引起的转子热变形及其对转子快速启动过程中振动特性的影响.结果表明:预紧力、接触面的表面粗糙度和螺栓个数对转子临界转速有一定的影响,螺栓松动导致转子在启动过程中瞬态热变形最大达到7μm,过1阶临界转速时引起的转子最大响应幅值增大约30μm.在非连续性转子系统的热致振动特性分析当中,不应忽视接触参数、接触刚度和接触热阻的影响.      

多层挤压型电流变阻尼器在转子振动控制中的实验研究

设计了用于转子振动控制的多层挤压型电流阻尼器,通过对悬臂转子系统的实验发现：随外加电压的增大,这种阻尼器能有效地抑制转子系统的临界共振,但当转速超过临界转速后,系统的响应反而增大,为消除这种不利影响,引入了开/关控制法,实验表明：它既能有效抑制临界共振,消除不利影响,又不会引起系统的不稳定。最后实验验证了这种阻尼器抑制转子系统突加不平衡响应的有效性。