航空发动机双转子系统不对中研究进展

转子不对中是旋转机械最常见的故障之一。不对中常引起整机振动加剧、轴承磨损、转静子碰摩等故障，严重时将造成灾难性事故。航空发动机转子系统由于结构复杂、工作温差大、多支点弹性支承，更容易造成滚动轴承支承不对中、联轴器不对中、动态不对中等不对中故障。虽然航空发动机不对中问题严重，但这方面的研究却相对缺乏。本文针对航空发动机转子系统的结构特点，首先论述了滚动轴承不对中、联轴器不对中、航空发动机转子不对中3种不对中故障的研究现状；其次，讨论了不对中转子系统非线性动力学特性及不对中故障定量分析方面的研究成果。最后，对航空发动机双转子系统不对中研究的发展趋势进行了展望。     

航空发动机腔内积油引发振动故障分析

针对在某发动机试车从起动到慢车过程中以及在慢车运转一段时间后,突发振动总量增大和嗡鸣声的故障,通过对整机振动测点所测振动信号进行分析和模态试验,排除了气动因素以及结构件共振等因素,认为是该发动机转子腔内有积油,积油在一定转速范围内发生自激振动,导致整机振动幅值较大,并最终造成发动机转静件间发生碰摩。通过在转子腔上开甩油孔的方式,以使积油在转子运转过程中可以甩出,在其后试车过程中振动正常,该故障得以排除。     

转子支承不对中故障建模与机理分析

针对工程实际所出现的不对中现象，建立了一个转子支承不对中故障的通用模型。将任意形式的联轴器在径向刚度和 角向刚度等效的前提下简化为1个等效模型，该模型与实际的总体径向刚度和角向刚度等效，依据实际联轴器刚度计算得到等效 模型参数；根据等效联轴器模型推导出转子系统由于连接对角向位置的不均匀、连接刚度的差异性和非线性等不确定性因素所产 生的不对中激励力，基于此建立含转子支承不对中故障的转子-支承耦合动力学模型。通过故障仿真分析得到转子支承不对中故 障激励下的振动特征，通过数值仿真验证了平行不对中和角度不对中故障的2倍频和4倍频现象，以及由于角度不对中产生的1 倍频轴向振动现象。利用含套齿联轴器的3支点转子故障模拟试验器进行了特征转速下多种不对中工况的振动响应试验，通过 比较仿真结果的精度达到85%以上，表明所提出的转子支承不对中故障通用模型的正确有效性。     

航空发动机振动标准研究

采用统计学方法,分析了航空发动机台架试车过程中主机测点的稳态振动数据,对发动机的振动幅值分布规律进行了研究。选取发动机台架试车过程中,处于慢车、80%、90%、中间和全加力状态下主机测点的稳态振动数据,通过绘制概率图对数据分布规律拟合优度进行检验,判断其是否满足正态分布规律;采用绘制振动数据均值和瞬时值95%置信区间包络图的方法,给出了各主机测点的振动基线。利用得到的振动基线,对同型号的另一台发动机台架试车过程中的整机振动进行监控,保证了发动机试车的安全。研究结果为航空发动机振动限值的优化工作提供了参考。     

涡扇发动机整机振动特性仿真分析

针对涡扇发动机整机振动,开展了发动机整机三维建模、动力学特性仿真分析等工作。建立了转子-支承系统、静子承力系统动力学模型,对静子承力系统关键测点在转子不平衡量大小、分布及碰摩力作用下的振动响应特性进行了仿真分析。仿真结果与实际发动机试验振动图谱的对比分析表明,特征频率点的响应吻合良好。通过本研究,初步搭建起涡扇发动机整机振动机理仿真分析平台,对提高发动机振动机理研究能力和整机振动分析诊断水平有积极意义。     

基于整机振动响应模型的转子支承阻尼分析与试验

以某型航空发动机为例,建立了该发动机整机振动系统模型,对影响整机振动响应的不同结构挤压油膜阻尼器(SFD）建模方法进行重点分析,并通过多位置-多传感器稳定工况振动响应试验验证了模型的准确性。利用整机振动系统模型计算及对该型发动机的滑油中断试验,讨论了燃气发生器前支点（No.1支点）与自由涡轮后支点（No.3支点）处挤压油膜阻尼值对发动机稳定工况振动响应的影响,得出了该发动机整机振动响应随No.1支点油膜阻尼值增大而先减小后增大,随No.3支点油膜阻尼值增大而减小,并且可以通过适当减小No.1支点处挤压油膜阻尼值,实现发动机在最大连续工况下整机振动总量减小43.4%。      

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。     

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。     

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.     

航空发动机振动突增问题分析

针对某型航空发动机在试车过程中的稳态振动突增及高压转子轴心轨迹变化,基于动力学普遍方程及实际发动机的具 体情况,开展了故障因素排查;采用数值仿真计算方法建立了双转子发动机动力学分析模型,分析了K 5 支撑刚度对整机振动的影 响。结果表明：K 5 支撑刚度由各向同性到各向异性状态且刚度值发生变化,发动机支点的振动值将增大且轴心轨迹发生改变,仿 真结果与试车结果一致。分析认为稳态振动突增及转子轴心轨迹变化的主要原因是支撑刚度变化造成的,其主要由于发动机涡 轮后机匣在工作过程中受热变形,促使拉杆由自由向拉紧状态变化,导致K 5 支撑刚度发生变化。研究方法及分析结果对发动机整 机振动异常排故具有指导意义。     

共用支承-双转子系统振动耦合机理及响应特性

针对带有涡轮级间共用承力框架的双转子系统，采用机械阻抗理论定量描述结构质量/刚度分布特征，建立了复杂转子系统振动耦合机理模型，并提出了针对共用支承-双转子系统的振动耦合点确定方法，以及交互激励瞬态响应仿真方法。仿真结果表明：共用支承-双转子系统振动耦合的力学本质，是转子与支承结构振动交互作用下的动力响应耦合，既包括共用支承结构振动基础激励带来的振动耦合力学行为，又包括多转子交互激励下多频率组合的振动响应耦合力学行为。其中基础激励下耦合程度与支承机械阻抗及转子振型有关，转子间交互激励下耦合程度则受被激转子模态振型影响，被激转子刚体模态振型对基础振动敏感，在激励转子作用下更易产生转子交互激励下振动耦合。     

直升机扭振固有频率测量试验方法

直升机扭振与FADEC控制的耦合具有强大的破坏作用,在FADEC中必须采取有效措施防止这种共振,有必要通过试验的方法测量扭振的固有频率。独创性地设计了用于直升机扭振固有频率测量的新方案:采用颤振扫频技术,直接对FADEC系统动力涡轮转速给定值进行激励,通过闭环系统对发动机动力涡轮转速进行扫频激励的方法,获取了直升机扭振系统不同工作模态下的扭振频率点。试验结果表明:该新方法能够在直升机平台准确地获取扭振固有频率。     

航空燃气涡轮转子的非协调进动

在研究某两种型号航空发动机振动的过程中,作者曾对数十台发动机的振动信号做过实时数字分析。分析结果表明,其中相当多台在工作转速范围内,存在自动跟踪的精确1/2阶非协调进动,并且这常常是使该发动机振动较大的主要原因。文中介绍了这种非协调进动的表现特征及典型的数字分析结果。 本文对产生非协调进动的原因作了具体分析,初步归结为套齿联轴器中的内摩擦,叶尖间隙的气动弹性,滚珠轴承的非线性刚性,以及后支承非线性刚性等因素。导出了在这些因素联合作用下悬臂式转子运动的四个非线性微分方程。结合具体结构参数,在模拟计算机及数字计算机上作了解算。 研究结果表明:在这些因素的联合作用下,使处于超临界工作状态的悬臂式低压涡轮转子产生自激。由于激起的进动频率接近1/2转速,因分谐波共振,就形成了自动跟踪的精确1/2阶非协调进动。套齿联轴器内的摩擦力矩是首要的自激因素,后支承非对称、非线性刚性则是形成自动跟踪1/2阶分谐波振动的主要原因。 文章还提出了在不改变发动机结构情况下可能采取的排振措施。     

转子高速动平衡技术在涡轴发动机整机减振中的作用

完成了动力涡轮转子平衡破坏后的重新高速动平衡试验 ,效果良好。对动力涡轮转子平衡破坏后及重新高速动平衡后的涡轴发动机在整机台架试车中的整机振动进行了测量和分析 ,结果表明 :动力涡轮转子的高速动平衡对减小涡轴发动机的整机振动有显著效果。柔性转子的高速动平衡技术在涡轴发动机整机减振中有着十分重要的作用      

脉冲爆震载荷作用下转子系统动力学特性

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)气动载荷具有周期性、非定常的特点,应用有限元法建立了PDTE转子系统动力学特性计算模型。在验证计算模型准确性的基础上,研究了周期性、非定常轴向力和扭矩对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:与传统燃气涡轮发动机相比,PDTE转子系统同时存在弯曲振动、轴向振动和扭转振动。脉冲爆震燃烧室的气动载荷会改变转子系统的弯曲刚度,但对气动载荷合理设计后,其对弯曲振动的影响较小。周期性、非定常轴向力引起转子系统轴向振动,且轴向振动特性主要受零频和1阶轴向共振频率处响应的影响。PDTE工作时滚珠轴承的轴向支反力会不断变向,在设计滚珠轴承时应予以考虑。周期性、非定常扭矩引起转子系统扭转振动,1阶扭转共振频率分量在扭转振动响应中占优。      

涡扇发动机涡轮和机匣碰摩故障飞行试验研究

受装机空间限制,小涵道比涡扇发动机通常仅采用发动机振动值表征发动机的振动情况,无法准确对异常振动进行定位分析和排除。针对某台涡扇发动机在试飞中出现的发动机振动值异常现象,利用机载加装的应变片和振动传感器的测量数据,对故障现象进行了详细分析。结果表明:涡轮和机匣的碰摩导致发动机发动机振动值异常增大。总结了该型涡扇发动机涡轮和机匣碰摩中发动机振动值的发展趋势的特征,为迅速、准确定位后续飞行试验中的同类故障提供借鉴。     

圆弧端齿对涡轮螺栓连接影响的数值研究

为验证某型民用航空发动机涡轮总体设计方案的可行性和安全性,以该型航空发动机涡轮的圆弧端齿连接结构为研究对象,利用有限元数值模拟方法研究了涡轮第1级盘与前轴之间采用圆弧端齿连接的设计对结构强度和疲劳失效的影响,分析了在高温及不同预紧力载荷工况下对圆弧端齿连接强度、疲劳等性能的影响规律.研究表明:该设计存在涡轮第1级盘与高压涡轮轴连接的外端齿分离而导致振动的风险,而增大预紧力可以提高螺栓连接传递荷载的能力,但螺栓孔边存在局部高应力问题.研究结果为圆弧端齿的设计方案提供了有效理论支撑和参考.     

涡轴发动机动力涡轮模拟轴动力特性研究

应用有限元方法完成了某新型涡轴发动机动力涡轮模拟实心轴动力特性-l临界转速、振型和不平衡响应的计算，分析了平衡卡箍对模拟轴动力特性的影响。最后进行了试验验证。计算和试验结果均表明：平衡卡箍对模拟轴临界转速和不平衡响应的影响甚微，对振型几乎无影响，是平衡细长高速柔性转子的理想平衡工装。     

基于新型涡轮冷却算法的航空发动机性能计算模型

针对气膜冷却和对流冷却两种常用的冷却方式,建立了新的涡轮冷却计算模型,并实现了与燃气涡轮发动机总体性能计算模型的耦合,得到了可考虑的不同冷却方式、适用于高涡轮前温度、大冷气量的燃气涡轮发动机总体性能计算模型,并与简化涡轮冷却模型的计算数据及试验数据作比较分析,表明新型涡轮冷却算法的可行性和能够提供更详细的涡轮部件气流参数.