转子系统挤压油膜阻尼器设计与动力特性

鉴于挤压油膜阻尼器(SFD)设计必须要同时考虑转子系统的动力学特性,提出了一种转子系统与挤压油膜阻尼器耦合设计方法,给出了详细的设计流程。对所设计的阻尼器进行了CFD数值模拟、油膜压力测量以及减振效果实验,结果证明所提出的设计方法是有效的。相比未采用阻尼器,采用阻尼器后转子系统两个转盘的振幅分别下降了46%和39%。通过实验还研究了不平衡量、支承刚度、供油压力和滑油温度对挤压油膜阻尼器减振效果的影响。结果表明,相比于不平衡量和支承刚度对减振效果的影响,供油压力和滑油温度的影响并不显著。进行挤压油膜阻尼器设计时,重点应该关注转子上的不平衡量大小和支承刚度。     

弹性环式挤压油膜阻尼器油膜力特性研究

计算分析了弹性环式挤压油膜阻尼器（Elastic Ring Squeeze Film Damper缩写为ERSFD）的油膜力特性,从求解ERSFD油膜力控制方程出发,计算分析了油膜刚度和油膜阻尼特性,并与SFD的油膜刚度和油膜阻尼特性进行了分析比较,结果表明ERSFD油膜力特性与SFD相比得到了较好改善,还从理论上计算分析了影响ERSFD油膜力特性的主要因素。     

基于两相流模型的挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟

基于气液两相流理论中的Mixture模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用动网格技术建立了两端开口中心槽供油型挤压油膜阻尼器三维非定常空化流场求解模型。数值模拟表明:随着阻尼器内环进动,考虑两相流动的油膜低压区在中心槽的两侧产生两道对称的条状负压带,条状带内具有较高的气相体积分数;阻尼器低压区的压力和气相体积分数对进油孔位置十分敏感,阻尼器油膜力和流场气穴比的变化频率与进油孔数密切相关。内环同心进动半径、进动频率对阻尼器空化流场影响的数值计算表明,进动半径和频率的增大均会使得流场内的空化现象加剧,同时气穴比的相位滞后现象愈加显著。      

弹性环式挤压油膜阻尼器动力学特性系数测试

搭建了弹性环式挤压油膜阻尼器(ERSFD)的动力学特性测试试验台。利用两个正交方向的简谐激励对ERSFD进行了激振试验,在轴心为圆时测得了阻尼器的位移和载荷数据,并结合阻尼器质心的运动方程分别识别ERSFD油膜和弹性环的动力学特性系数。结果表明弹性环与油膜均具有显著的阻尼和刚度,其中油膜的阻尼和刚度系数随着凸台高度的升高迅速降低,弹性环的刚度和阻尼受凸台高度影响较小;弹性环的厚度对油膜的刚度和阻尼无显著影响;油膜阻尼随供油压力的升高先增大后不变,油膜刚度随着供油压力的升高先增大后减小。不确定度分析结果表明油膜的四个动力学特性系数Cxx、Cyy、Kxx、Kyy的不确定度分别为12.2%、11.5%、18.2%、12.7%。弹性环的四个动力学特性系数Cxx、Cyy、Kxx、Kyy的不确定度分别为30.7%、33.1%、17.0%、12.8%。      

涨圈密封挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性

为研究两端密封型挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性,建立了涨圈密封挤压油膜阻尼器三维非定常流场数值仿真模型。基于Fluent软件中的Mixture多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型数值模拟得到动态油膜压力与气相体积分数的周向分布规律。将计算得到的阻尼器油膜压力与文献中的试验数据对比,结果显示:两者具有较高的一致性。由动态油膜力导出的平均等效阻尼系数与试验采用阻抗法识别的结果相比仅有0.6%的偏差,从而验证了该数值模型与预测方法的有效性。进一步的数值计算表明增大进动半径、进动频率、涨圈密封的狭缝宽度均会使挤压油膜阻尼器流场中的空化现象加重,同时等效阻尼系数降低。      

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%。      

考虑油气传热传质耦合的轴承腔内壁油膜运动研究

为研究航空发动机轴承腔油气两相流动及内壁面油膜运动特性,建立了腔内油滴-空气双向耦合数学模型和内壁面油膜传热传质运动模型,并对油气流场及不同供油流量下油膜的流动进行计算,获得腔内两相流场特性及内壁面油膜厚度、周向速度分布。结果表明:在所计算工况中,双向耦合计算流场与单向计算结果至少相差10%,因而不可忽略油滴对空气流动的影响;腔内滑油蒸汽质量分数低于0.05%,则空气-油滴之间粘性力产生的拖曳作用是影响流场的主要因素;随着供油流量的增加,油膜厚度及周向速度都呈增加趋势,但与滑油流量的增幅并不成正比。与国外试验数据的对比证明所建数学模型合理且有效。     

同心与非同心型挤压油膜阻尼器减振能力的实验比较

为了比较带定心弹簧的同心型与不带定心弹簧的非同心型挤压油膜阻尼器(SFD)的减振能力，在同心型与非同心型SFD 多盘柔性转子系统实验装置上进行了不同转子不平衡质量及油膜径向间隙条件下的系列试验。结果表明:相对于刚性及纯弹性支承，两种SFD都能够有效地减小转子系统的振动。在同心型SFD 柔性转子系统中，当SFD的作用相对定心弹簧的作用较弱时，可以用定心弹簧来调整转子系统临界转速的位置，转子的临界转速在弹支临界转速附近；当SFD的作用相对定心弹簧的作用较强时，定心弹簧对转子系统临界转速的影响不大，转子的临界转速在刚支临界转速附近。非同心型SFD 转子系统的非线性特性比同心型SFD转子系统更为复杂，不仅会出现主共振，而且还会出现超谐共振及亚谐共振。      

挤压油膜阻尼器在锥齿轮系统中减振特性分析

航空发动机中央传动弧齿锥齿轮系统从高压转子上提取功率,高压转子的高转速使得齿轮系统的振动加剧。通常,采 用挤压油膜阻尼器（SFD）作为弧齿锥齿轮-转子系统的减振装置。为研究SFD在锥齿轮系统中起到的减振特性,通过建立SFD的 雷诺方程,基于有限元方法实时计算SFD的非线性油膜力,并采用有限元法及Timoshenko梁单元对柔性齿轮轴进行建模,将SFD 的非线性油膜力与弧齿锥齿轮系统的静态传动误差、时变啮合刚度相耦合,建立SFD支承下的弧齿锥齿轮系统动力学模型,对弧 齿锥齿轮系统在SFD支承下的动力学响应进行理论分析及实测。结果表明：在高转速工况下,SFD可以有效地抑制弧齿锥齿轮系 统的振动幅值,低频区域的振幅从38g 降到9.8g;理论分析和实测结果的振幅在同一量级,并且变化趋势一致,最大振幅出现在第 1阶啮合频率上,理论分析结果为19.7g,实测结果为16.9g。     

润滑方式对球轴承润滑性能影响的数值研究

为合理选择高速球轴承润滑方案,优化润滑系统参数,针对SKF7210角接触球轴承建立了喷油润滑与环下润滑计算模型,基于VOF数值方法,研究了两种润滑方式下轴承内油气两相流场和内外环温度场。研究结果表明:相同工况下,环下润滑轴承内油气分布较喷油润滑更为均匀;转速增加两种润滑方式润滑效果均下降,但对环下润滑影响更大,当转速超过18kr/min时(Q=3L/min,F=5kN),环下润滑轴承内油体积分数将低于喷射润滑;供油量增加可改善润滑效果,尤其对环下润滑,当转速大于10kr/min时,环下润滑轴承内油体积分数相对喷油润滑将大幅提高;载荷增加会使轴承内油体积分数减小。结论:当转速和载荷较低时,可使用结构简单的喷油润滑;当转速和载荷较高时,使用环下润滑较为有利,但需保证供油量维持在较高水平。     

低含气率影响下圆柱动静压轴承特性分析

为研究低含气率条件下,温度和气泡含量对润滑油黏度的影响,采用涡轮油和氮气制备油气两相流,在不同温度下采集含气率和动力黏度,拟合得到两相流的黏度计算模型。针对带有深浅腔的圆柱动静压轴承,基于拟合的黏度模型,结合有限元法和有限差分法联立求解油膜Reynolds方程、能量方程及两相流等效密度模型,分析了不同偏心率下承载力、摩擦力、端泄流量、刚度、阻尼系数和失稳转速随含气率变化的规律。结果表明:含气率在2.50%以内,含气率越高,黏度值越大;不同偏心率下油膜承载力、摩擦力和动力特性参数均随含气率的增加而增加,端泄流量随含气率的增加而减小;计入两相流的影响使稳定性有所提高,失稳转速最高增幅为9.14%。     

高速角接触球轴承腔内气液两相流模拟分析

基于轴承腔内气液两相流流动模型,采用VOF方法和MRF模型对高速角接触球轴承简化模型内润滑油的流动特性进行数值计算,获得腔内速度、压力以及润滑油分布情况。分析轴承转速和润滑油进口流量等参数对油液体积分数的影响,以及轴承腔内润滑油的流动轨迹和润滑油进入腔内的影响机理。结果表明:轴承高速转动阶段,润滑油在滚动体和保持架的搅动作用,在腔内局部形成漩涡不利于润滑油的流动;轴承腔内两相流场的环间压力具有周期性特点,喷射润滑油很难穿过环间压力进入腔内;腔内油液体积分数随轴承转速的升高而降低,随供油量的增加而增加,呈非线性关系;喷射角度对环间油液体积分数和滚道油液体积数的影响很大,选择合适的喷射角度能够得到更好的润滑效果。该研究结果对高速轴承润滑设计提供了一定的参考依据。      

轴承腔油气两相介质流动与热分析

为获得轴承腔油气两相介质流动与热分析计算方法,探究轴承腔油气两相介质流动换热规律。以某发动机轴承腔结构为对象,运用CFD方法分析轴承腔中两相介质流动速度、温度分布、体积分数和传热系数分布。基于试验获取轴承腔内外不同位置局部温度,利用温度梯度法计算热流获得传热系数。结果表明:两相介质的流动速度随径向高度增大呈现先增大后减小趋势,在无量纲径向高度为0.6时流速最大。轴承腔中转子及壁面之间的区域两相介质的温度随径向坐标增大呈现先减小后增大趋势。轴承腔内滑油主要分布在回油池及轴承腔外壁面上,回油池旁边其剪力分量和重力方向一致区域的油膜较薄,局部传热系数较小,其方向相反区域的油膜较厚,局部传热系数较大。      

基于两相流的涡轮增压器轴承油膜特性分析

利用计算流体动力学方法,分析了涡轮增压器半浮动轴承内油膜静力特性,考虑两相流油膜破裂和非牛顿流体润滑油模型,计算分析带轴向贯通油槽的油膜压力和汽化比率分布情况,以及转速、偏心率、润滑油温度和润滑油压力等因素对油膜承载力和摩擦功耗的影响规律。结果表明: 温度和转速是影响两相流油膜摩擦功耗的主要因素,分段楔形油膜的摩擦功耗与贯通轴向油槽的位置变化无关,油膜的气穴空化也不会引起摩擦功耗的明显变化;两相流油膜承载力随着偏心率的增加、油温的降低和油压增大而有不同程度的增大,但随转速的变化规律不一致;与此同时,小偏心率、高油压、低油温有利于减轻两相流油膜发生气穴空化的比率。      

高速滚动轴承喷油润滑油液穿透机理分析

基于空气动力学研究高速滚动轴承环间气流特性,通过建立气相流数学模型和气液两相流数学模型研究润滑油在轴承环间的穿透过程,探究高DN值时润滑油的穿透机理.利用流体体积（VOF）模型对此状态下的空气和润滑油界面进行动态捕捉,以研究润滑油的运动过程、分布特点以及不同参数对环间油液体积分数的影响,得到了高速滚动轴承环间气相流的特性;润滑油在不同转速下进入轴承环间的运动过程;轴承环间气液两相流场的压力、速度特性;轴承环间初始气流场对润滑油进入的影响.结果表明:在轴承小端面靠近内圈附近喷油可以避免湍流对润滑油的影响和干扰,有利于润滑油进入环间;轴承环间存在有利于润滑油贴滚道运动的气流径向作用力,随着转速的增加,该力呈近似线性增加;气流的初始状态影响着轴承环间润滑油的运动状态,润滑油对气流的运动影响较小;较低转速时,轴承环间周向压力变化很小可忽略,较高转速时,其呈现周期性波动,对润滑油进入的影响不可忽视;在较低转速时通过提高喷油体积流量可以有效提高轴承环间油液体积分数,但是高转速时,通过提高喷油体积流量来提高轴承环间的油液体积分数的效果并不明显.      

滚珠自转对高速球轴承环下润滑内部流动的影响

高速球轴承正常工作时,处于高速旋转状态,此时油相和气相因重力和离心力的作用在轴承环间剧烈运动。为了更准确地分析轴承环间的两相流动,采取VOF模型进行内部流场的模拟,采用多重旋转坐标系描述部件运动。建立球轴承环下润滑计算模型,分析了考虑滚珠自转因素下轴承内部的流动,并在此基础上探究了转速及供油量对轴承工作状态的影响。结果表明,对比整体模型与滚珠自转模型,发现滚珠自转使得轴承内部油体积分数增大,同时也使得滑油穿透间隙达到外环的能力增加;在考虑滚珠自转情况下,转速的不断增大,使得轴承内部的油相体积分数不断减小,在低转速情况下滚珠自转对流体运动影响较为明显,在高转速情况下公转速度对流体运动起到主导作用,滚珠自转对流体运动影响减弱;供油量不断的增大,使得滚珠自转模型内部的油相体积分数也在不断增大,而且滚珠自转运动会加强滑油在轴承内部的分布。     

基于DPM与VOF方法轴承腔内滑油瞬态特性对比

为了研究航空发动机轴承腔内油气两相流流动特性,分别采用DPM方法和VOF方法建立了完整的数学模型,并对轴承腔内的两相流动进行了非稳态的数值模拟,获得了不同转速情况下内壁面油膜厚度和滑油体积分数的动态变化过程。通过与实验数据的对比及两种方法计算结果的对比,验证了模型的合理性。进一步计算了增大滑油流量情况下腔内滑油分布。研究结果表明：油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程,历时约0.8 s;油膜的生成位置及发展速度受转速影响较大,空气对油膜的剪切作用对油膜分布的均匀性有积极作用。     

Nonlinear vibration response characteristics of a dual-rotor-bearing system with squeeze film damper

Rolling bearing and Squeeze Film Damper (SFD) are used in rotor support structures, and most researches on the nonlinear rotor-bearing system are focused on the simple rotor-bearing systems. This work emphasizes the comparative analysis of the influence of SFD on the nonlinear dynamic behavior of the dual-rotor system supported by rolling bearings. Firstly, a reduced dynamic model is established by combining the Finite Element (FE) method and the free-interface method of component mode synthesis. The proposed model is verified by comparing the natural characteristics obtained from an FE model with those from the experiment. Then, the steady-state vibration responses of the system with or without SFD are solved by the numerical integration method. The influences of the ball bearing clearance, unbalance, centralizing spring stiffness and oil film clearance of SFD on the nonlinear steady-state vibration responses of the dual-rotor system are analyzed. Results show that SFD can effectively suppress the amplitude jump of the dual rotor system sustaining two rotors unbalance excitations. As the ball bearing clearance or unbalance increases, the amplitude jump phenomenon becomes more obvious, the resonance hysteresis phenomenon strengthens or weakens, the resonant peaks shift to the left or the right, respectively. SFD with unreasonable parameters will aggravate the system vibration, the smaller the oil film clearance, the better the damping performance of the SFD, the larger the centralizing spring stiffness is, the larger resonance amplitudes are.