航空发动机低压转子系统的动力学相似设计方法

提出了航空发动机转子系统动力学相似设计方法,以便采用模型替代实际结构对其动力学特性进行研究。基于转子系统的动力学等效原则,通过动力学优化方法建立全尺寸原型的相似等效模型。综合采用方程分析和量纲分析推导转子系统的动力学相似准则,并根据转子设计参数的相似关系建立相似等效模型的缩比模型。基于模型修正方法对三维设计模型的相似误差进行修正,得到预测精度较高的动力学相似模型。以双转子发动机低压转子试验模型的动力学相似设计为例,通过有限元仿真对动力学相似设计方法的有效性进行了验证。结果表明:在设计转速范围内,通过该方法得到的动力学相似模型能够有效预测全尺寸原型的临界转速和不平衡响应,前三阶临界转速的相似误差分别为3.09%、1.75%和0.31%,对应振型的相关性均大于0.93。该方法具有较高的实用价值,可为发动机整机动力学相似设计提供参考。     

联轴器不对中转子系统的故障再现方法

针对转子系统联轴器不对中的故障再现问题,建立了动力学相似模型转子系统的方法。讨论由联轴器不对中引起的附 加力的情况,建立了带有联轴器不对中转子系统的数学模型;采用方程分析法和量纲分析法相结合的方法,推导了联轴器不对中 转子系统的动力学相似关系;设计了动力学相似的原型和模型系统,通过对设定系统进行数值仿真,分别对比了2套系统的轴心 轨迹和频域响应。结果表明：模型与原型系统的频率成分相同,轴心轨迹形状一致且满足相似比例,验证了所提方法的正确性。 搭建了2组动力学相似试验台,进一步验证了所提出相似设计方法的实用性和有效性。该研究结果为再现原型系统联轴器不对 中故障的动力学相似模型设计奠定了理论基础。     

航空发动机高压转子试验模型的动力学相似设计

为了获得能够替代航空发动机转子原型进行动力学试验的模型，提出了发动机转子系统试验模型的动力学相似设计方法。采用相似理论推导了转子系统缩比模型的动力学相似准则，继而建立缩比模型与原型的动力学相似关系。通过动力学优化方法对转子缩比模型的动力学等效模型进行修正，目标函数由固有频率、临界转速和振型组成。以双转子发动机高压转子系统的动力学相似设计为例，通过有限元仿真对设计方法的有效性进行了验证。结果表明，在设计转速范围内，动力学相似模型与原型的前两阶临界转速相似误差分别为3.92%和0.86%，对应振型的相关性均大于0.98，且模型与原型的模态应变能分布基本一致。通过该方法获得的动力学相似模型能够较好地预测原型的动力学特性，并有效降低模型试验的成本和难度。     

轴承共腔结构涡轴发动机相似模型设计

为改善轴承共腔结构双转子系统动力学实验器建立过程中人为或非人为结构畸变导致的动力学相似性偏差问题,开展 了适用于轴承共腔结构的双转子系统动力学特性研究。通过有限元法建立了某轴承共腔结构双转子发动机的转子动力学模型及 其粗尺相似模型,在对该转子模型动力学特性分析的基础上与原型发动机转子的动力学特性进行对比,比较了双转子系统的动力 学相似性。通过遗传算法建立了针对双转子系统动力学特性的相似优化算法。针对该型轴承共腔结构涡轴发动机采用提出的优 化算法建立了双转子系统相似模型。通过有限元法对该相似模型进行动力学特性分析,对比了该相似模型和原型发动机转子之间的 临界转速和振型特征。结果表明：该相似模型与原型转子模型相比保持了良好的多阶临界转速比例关系,且具有较好振型相似性。     

考虑陀螺效应的转子动力学相似准则

针对考虑陀螺力矩的转子系统缩尺相似模型与原型是否满足动力学相似的问题,采用量纲分析法推导了考虑陀螺力矩的转子-简单支撑系统相似准则,得到了模型与原型各物理量相似比.通过求解不同相似比下Jeffcott转子系统临界转速的解析解,和利用有限元软件ANSYS对某转子系统临界转速和振型相似性进行了数值模拟,验证了所推导的考虑陀螺力矩转子系统相似准则的正确性.研究表明:考虑陀螺力矩、简单支撑和Rayleigh比例阻尼的转子系统,在相似转速下缩尺模型与原型的固有频率具有相似性,并且临界转速相似.      

薄壁构件试验模型的动力学相似设计方法

针对由薄壁构件相似模型试验结果预测原型动力学特性的问题,建立了统一的数学模型,并基于方程分析法推导了动力学相似关系.通过对薄壳单元进行受力分析,推导得到薄壁构件的微分方程,并通过微分方程得到完全几何相似模型可准确预测原型动力学特性的相似关系.在建立薄壁构件结构参数对固有频率的敏感性与相似因子指数的比值关系基础上,提出薄壁构件不完全几何相似模型与原型的动力学相似关系(即畸变相似关系)的确定方法.最后给出基于敏感性分析的薄壁构件精确畸变相似关系设计流程,为薄壁构件相似试验模型的设计及动力学特性的预测提供参考.     

带有挤压油膜阻尼器的转子系统动力学相似设计

针对航空发动机中常见的带有挤压油膜阻尼器(SFD)转子的动力学相似问题,建立了一种相似建模方法。从带有阻尼的转子的振动微分方程着手,通过方程分析法推导了转子振动过程中的不平衡力相似关系和阻尼力相似关系。以挤压油膜阻尼器的油膜力和油膜方程为基础建立了挤压油膜阻尼器参数与转子相似参数之间的数学关系,并给出了相应的工程设计方法。以某带有挤压油膜阻尼器的单转子系统为例,建立了带有挤压油膜阻尼器的相似转子系统,使用有限元法分析了该转子系统与其相似系统的动力学特性,分析结果显示：在仅考虑转子系统内挤压油膜阻尼器阻尼的情况下相似系统的不平衡响应与原转子系统不平衡响应误差低于1%。     

冲击激励转子系统动力学响应及安全性设计

叶片丢失是高涵道比涡扇发动机适航认证的关键,是影响结构完整性和安全性的关键问题。针对叶片丢失产生的冲击载荷激励,开展了转子结构系统的动力响应机理和安全性设计方法研究,为发动机结构完整性设计提供支撑。建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型,考虑了刚度质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征。通过理论和试验,揭示了突加不平衡激励和超大不平衡转子受到持续的冲击碰摩作用过程中,转子振动响应和轴承支反力响应特征。结果表明,支承结构是影响系统存亡的关键环节。提出了提高整机系统安全性的变支承刚度设计方法,在保护轴承完整性、避免抱轴的同时,也降低了系统的振动响应。基于整机模型的叶片丢失全过程的算例仿真分析表明,该方法使支点所受峰值载荷降低了46%,验证了安全性设计策略的有效性。     

薄板结构畸变模型的动力学相似设计及几何区间确定

针对单层弹性薄板、层合板、涂层板及夹层板等常用板类结构的动力学相似试验模型设计,在归纳总结其基本假设及平衡方程的基础上,利用方程分析法,结合结构敏感性分析建立了4种结构悬臂板的畸变动力学相似关系,并进行对比分析;提出1种畸变模型的区间确定方法,基于模型与原型在第1阶固有相似(即固有频率成比例映射关系、且振型保持一致)时畸变模型的尺寸适用区间的确定方法,利用多项式拟合方法,得到单层弹性薄板模型和原型在不同阶次下的相似畸变模型几何结构适用区间的边界值方程。为薄板类结构试验模型的动力学相似设计提供了理论依据。     

转子-滚动轴承系统不对中-碰摩耦合故障动力学分析

建立了转子-滚动轴承系统不对中-碰摩耦合故障动力学模型.在联轴器不对中力模型中,分析了不对中力产生的原因;在转子系统中,考虑了不对中、不平衡和转静碰摩耦合故障.运用数值积分方法获取了系统的非线性动力响应,对不对中力模型和滚动轴承模型进行了验证,分析了转子不对中和碰摩对系统响应的影响,并对提出的动力学模型进行了试验验证,二者符合较好.     

全转速系数矩阵降维重构的燃机不平衡量逆推方法

整机动平衡可大幅提高燃气涡轮发动机动平衡效率，但由于全转速范围内整机系统动力特性复杂，且结构的特殊性仅能够在机匣外表面测振，传统动平衡方法难以实现整机动平衡。为此，考虑全转速区间整机系统结构振动特性及分布式不平衡量的影响，通过仿真或试验获得全转速范围内各测点振动响应与各叶盘不平衡量间的响应系数矩阵，建立等效不平衡量逆推方程组。依据不平衡位置-转速-测点振动间的敏感性关系对全转速系数矩阵进行降维重构，获得优选配平位置、测点及转速的重构方程组，求得转子配平位置的等效不平衡量。典型双转子燃气涡轮发动机整机系统数值仿真结果验证了该方法的有效性。研究结果对实现燃气涡轮发动机整机动平衡具有一定的参考应用价值。     

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.     

基于升速响应信息柔性转子系统的多阶多平面瞬态动平衡方法

利用升速响应信息进行柔性转子多阶、多平面瞬态动平衡方法研究.在提出柔性转子越过各阶临界转速时平衡校正量最优值算法的基础上,建立了以3次起车即可实现同时抑制多阶不平衡达到整体平衡的方法.通过所提出的平衡方法分别对双盘转子模型前2阶不平衡和三盘转子模型前3阶不平衡进行动平衡仿真研究,结果显示:该方法能在整体上有效控制转子系统的振幅波动,越过临界转速时的振幅减幅率普遍在80%左右,最低可达到60%以上.      

突加不平衡下GTF发动机转子系统瞬态响应分析

针对GTF发动机低压转子系统突加不平衡瞬态响应问题,基于有限元法建立了考虑啮合单元、行星架单元、膜盘联轴器单元的多体接触、多转子耦合动力学模型,介绍了考虑非线性因素下突加不平衡瞬态响应计算方法,求解了低压转子系统的突加不平衡瞬态响应,并分析了关键部件刚度对突加不平衡的影响规律。结果表明：当风扇转子发生突加不平衡时,各部件均表现为振动幅值突增,后迅速趋于稳定,低压涡轮转子发生明显拍振,突加不平衡载荷主要由行星架结构和第1.5支点刚性支承承担;行星架刚度主要影响风扇转子突加不平衡响应、第1.5支点和行星架处的外传力;膜盘联轴器刚度主要影响增压级突加不平衡响应、转子在突加不平衡之后稳定运转情况。     

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。      

三支点柔性转子系统支承不同心激励特征及振动响应分析

针对航空发动机三支点柔性转子系统的支承不同心问题,充分考虑转子结构特征和载荷特征,首次将当量刚度引入多支点柔性转子不同心问题的动力学分析,定量描述转子系统各支承间不同心度带来的转子轴段刚度非线性,并提出了多跨度柔性转子系统支承不同心激励的数学描述,建立了不同心激励下多跨度柔性转子系统的力学模型。基于Lagrange能量法,给出了转子系统动力学方程的求解方法,研究得到了支承不同心转子系统的动力响应特征。结果表明:支承不同心不仅引起转子过渡轴的刚度非线性,产生2倍频激励,还会给转子系统带来附加不平衡激励;对于三支点柔性转子系统而言,2倍频分量同样是支承不同心下转子系统振动响应的典型特征之一。转子系统2倍频分量随不同心量的增加而迅速增加,而1倍频分量基本保持不变。同时转子振动响应呈现"缓增速降"趋势,且随非线性刚度、不平衡量的增大愈加明显。