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。     

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。     

常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性

研究了常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性.考虑裂纹单元截面中性轴的时变特性,推导了裂纹转子的刚度矩阵,考虑重力及不平衡激励,采用有限元法建立了常开空心轴裂纹转子系统的动力学方程.采用谐波平衡法对方程进行求解,给出了不同裂纹深度下的三维幅频图,表明在临界转速和亚临界转速处均有峰值出现;分析了裂纹深度、裂纹位置对该系统的临界转速的影响,表明位于跨中靠近惯性量较大圆盘的深裂纹对常开空心轴裂纹转子系统的影响大,临界转速下降快;计算了该系统在亚临界转速时的非线性振动响应,结果表明:亚临界转速下常开空心轴裂纹转子系统会发生超谐共振现象.所提出的空心轴裂纹的建模方法为航空发动机转子系统裂纹故障的非线性动力学分析提供了理论指导.      

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。     

燃气轮机周向拉杆转子连接刚度对转子振动特性影响的研究

为研究燃气轮机周向分布式拉杆转子轮盘间存在的连接刚度对轴系转子振动特性产生的影响,本文提出一种基于六自由度的弹簧单元等效方法;首先将轮盘接触刚度与拉杆弯曲刚度同时等效进连接界面,便于使用一维梁单元求解其临界转速与振动响应变化,验证其与全三维有限元法吻合度在3％以内;然后改写了非线性动力学方程,采用谐波平衡法对其进行求解,使用经典Newmark方法验证其准确性;最后使用该等效方法计算了某模拟转子连接刚度对其临界转速、响应特性、非线性特性等的影响。计算结果表明：当连接面剪切刚度与弯曲刚度减小3个数量级,均造成了临界转速的降低和振动响应的提高,而其影响程度可由各阶振型大致推测,且响应幅值受剪切刚度影响较大;使用临界转速趋于收敛时的连接刚度与试验值的对比误差小于2％,较连续模型提升显著;在连接刚度各向异性时,每一阶临界转速均出现两个响应峰值,轴心轨迹变成椭圆;考虑刚度随位移变化（非线性刚度）后,转子的响应峰值发生“歪扭”特性,且该峰值特征随不平衡量、无量纲阻尼等因素变化而呈现“波浪形”变化。     

锥齿轮啮合作用对转子-机匣系统振动特性的影响

本以转子-机匣系统为对象，采用弯扭耦合传递矩阵法分析了锥齿轮啮合作用对不平衡响应及初始弯曲响应振动特性的影响。改进了三套纯弯曲和弯扭耦合临界转速及不平衡响应峰值转速计算方法及软件，提高了计算效率。采用此三对配套软件计算了两种支承方案的临界转速和峰值转速，在无阻尼条件下两完全一致。分析了质心按一阶振型分布和按空间分布时锥齿轮啮合作用对峰值转速及振动值的影响，得出了有工程参考价值的结论。提出了改善转子振动特性的方法。     

航空发动机高压转子的结构动力学设计方法

建立了航空发动机高压转子的动力学模型,该模型包含所有的结构动力学设计参数,揭示了设计参数与转子振动特性间的关系,提出了转子临界转速界值的估计方法,并予以理论证明.建立了分别基于两阶临界响应的支承刚度设计准则.发现了转子参数临界转速现象,在参数临界转速处,阻尼器将失去阻尼作用,振动趋于无穷大;给出了参数临界转速出现的条件,上述的结论对于航空发动机高压转子的设计具有重要的指导意义.     

典型燃气发生器转子平衡状态与振动特性分析

针对某型涡轴发动机整机试验中出现的振动过大现象,通过建立考虑低速动平衡的刚性转子系统动力学方程,求解低速动平衡后刚性转子的动力学响应,对涡轴发动机典型燃气发生器转子平衡状态与振动特性进行分析。介绍了该型发动机整机试验中出现的振动过大现象及后续的排查措施,分析了该类转子振动模态特性与激振载荷的关系,建立了该类转子在不平衡状态下的动力学分析模型,对2种初始不平衡状态的转子振动响应进行了仿真计算。结果表明:对于该类涡轴发动机典型燃气发生器转子,当离心叶轮处存在较大初始不平衡时,转子的低速动平衡虽能较好地控制其前2阶振动,但会加剧其在大转速时的振动,特别是转子第3阶弯曲型临界转速裕度不大时,应当特别重视。     

舰用燃气轮机压气机转子动力特性研究

建立某型舰用燃气轮机压气机转子的有限元模型,对转子的动力学特性进行研究。计算了转子的固有频率和振型,求解了转子的临界转速和不平衡响应,并就转子前支承刚度变化对转子临界转速和不平衡响应的影响进行了分析。结果表明:转子为一刚性转子,其振动行为主要受转子一阶模态影响;转子的一阶临界转速为12 825 r/min;转子不平衡响应对第4级附近存在的不平衡量最敏感;转子前支承刚度增大对转子临界转速影响不大,但对转子不平衡响应有一定影响。本文结果可为燃气轮机的可靠运行及转子的进一步优化设计提供依据。     

带柔性过渡段悬臂动力涡轮转子动力学研究

针对涡轴发动机带柔性过渡段悬臂动力涡轮转子动力学开展了系统的计算分析和试验研究。建立了转子的有限元分析模型,对临界转速、振型和稳态不平衡响应进行了计算分析。在高速旋转试验器上开展了全转速范围内的动力特性和高速动平衡试验,以及慢车转速下5 min的振动考核试验,在整机台架上进行了发动机试车。验证了转子良好的振动特性以及轴向环下润滑设计和临界转速设计的合理性,提出了1号平衡凸台轴向位置的优化方案和试验转接段的改进方案。为发动机实现转速达标提供了强有力的保证,具有重要的工程应用价值。     

支承刚度和轴向位置对某型对转发动机低压转子临界转速的影响

为提供某型对转发动机低压转子临界转速的设计和调整的理论依据,开展了该转子的临界转速随支承刚度和轴向位置变化规律的研究.以该转子为研究对象,采用有限元法建立了转子动力特性的计算模型,基于不同的支承刚度和轴向位置,运用转子动力学分析软件SAMCEF/ROTOR对低压转子的前4阶临界转速进行了系统的计算分析,揭示了低压转子前4阶临界转速随支承刚度和轴向位置的变化规律.结果表明:支承刚度对低压转子的临界转速有显著影响,而支承轴向位置对临界转速的影响较小.     

惯性非对称转子系统动力特性及安全设计策略

本文旨在分析惯性非对称转子结构的动力特性,主要包含多频特性、稳定性,并针对转子的失稳提出相应的安全设计策略。建立惯性非对称转子模型及其动力学方程,通过Hill无穷行列式建立非对称转子模态特性分析方法,分析惯性非对称转子系统的模态频率、稳定性;计算减速过程中转子的响应特性,进行试验验证并提出惯性非对称转子系统的安全性设计策略。研究表明：惯性非对称转子系统在频率上具有多频特性和频率耦合现象。频率耦合对应的转速区内转子系统发生失稳。相比一般转子系统,惯性非对称转子系统的临界转速为一条临界转速频带,该频带与频率耦合转速区相对应,造成转子系统在临界转速附近响应放大,临界转速区扩张。针对不同工程问题,可以通过增加转子阻尼消除失稳区、降低转子系统刚度避开临界转速的安全设计策略。     

高速转子系统支承结构及力学特性设计方法

针对航空发动机高速转子系统支承结构及力学特性设计问题，开展支承结构约束特性（支点位置和支承刚度）对转子系统刚度及转子动力学特性的影响分析，建立转子支承结构约束特性与转子力学特性关联力学模型。通过对转子系统支承结构特征参数与刚度特性、振动特性等力学特性的关联性分析，定量描述了转子支承约束特征及轮盘惯性载荷对转子系统动力学特性的影响规律，在此基础上，提出了基于转子变形控制的支承约束特性与转子力学特性一体化设计方法。仿真计算结果表明:对于高速转子系统可以通过对支点位置及支承约束刚度的设计，调整转子弯曲变形和临界转速的分布特征，使其在通过或靠近弯曲振型临界转速的高转速工作状态下，具有足够的安全裕度。这种通过结构特征参数的变化，优化转子系统力学特性的方法，对航空发动机总体结构布局及动力学设计具有重要的工程参考价值。      

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。     

某微型发动机振动特性计算分析

研究了具有锥齿轮啮合及机匣系统的某微型发动机的振动特性。采用弯扭耦合传递矩阵法计算临界转速、不平衡响应和初始弯曲响应,计及转动惯量、陀螺力矩、剪切变形、粘性阻尼和轴向力的影响。为了提高机匣振动固有频率的计算精度,还采用轴质量均布的传递矩阵法计算转子－机匣系统的临界转速与不平衡响应。临界转速及不平衡响应计算结果与试验结果吻合较好。     

反向旋转双转子系统动力学特性的有限元分析

近年来,有限元方法在计算转子系统的动力学特性方面得到了很大的发展。利用有限元方法计算了反向旋转双转子系统的动力学特性,分析了反向旋转双转子结构的临界转速特性和主振型特点。研究了中介轴承刚度和转速比对该双转子系统临界转速的影响。通过对结果的分析,得到一系列十分有益的结论,可为反向旋转双转子系统的设计提供一定的参考价值。     

叶片丢失激励下航空发动机柔性转子系统的动力学响应

为揭示叶片丢失激励下转子系统动力学响应特征,考虑涡扇发动机低压转子刚度/质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征等,建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型。对突加不平衡激励及持续碰摩约束下转子系统动力学响应特性进行分析。结果表明:所建立转子动力学模型可以有效反映叶片丢失激励下转子冲击振动和复杂简谐振动响应特征。在突加不平衡激励下转子系统的瞬态振动响应加剧,具有显著冲击响应特征,并伴有转子横向固有振动。持续碰摩所产生的约束作用可使转子临界转速发生变化,虽然响应幅值降低,但频率成分及转子振动趋于复杂。      

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。      

基于PID控制的磁轴承转子动力学分析

磁轴承转子动力学特性是磁轴承与转子动力学综合作用的结果,其好坏不仅决定稳定悬浮能否实现,而且还直接影响其动态性能和转子的回转精度。对基于PID控制的主动径向磁轴承的刚度和阻尼特性进行了深入研究,在此基础上,针对五自由度的多电模拟发动机转子进行临界转速、稳定性分析,得到各阶临界转速及稳定与否的判定方法,并分析了轴承主导型临界转速和转子主导型临界转速的不同特性。研究结果能为多电发动机整机减振设计提供技术支持。     

长拉杆-止口连接弯曲刚度损失及对转子系统振动响应影响

航空燃气轮机为了实现高负荷、轻质化的追求,在转子结构设计中,趋向于提高转速和加大长径比。这使得转子系统弯曲模态临界转速降低,转子在工作转速范围内不可避免会产生一定的弯曲变形。转子弯曲变形会影响连接结构界面接触特性的变化,使其连接结构局部弯曲刚度产生损失。因此,对于工作转速靠近弯曲临界的高速转子系统,需要考虑连接结构界面接触状态变化对转子系统振动特性的影响。以高负荷的长拉杆-止口连接转子系统为对象,分析连接界面接触应力分布特性,提出连接结构弯曲刚度损失修正方法,以此为基础建立界面连接转子动力学模型。通过对止口连接三级轴流压气机转子结构动力学特性的仿真和试验研究表明,在靠近弯曲振型临界转速下,转子连接界面接触状态的变化会产生弯曲刚度损失,对转子动力学特性具有显著影响。