某型发动机风扇转子本机平衡试验研究

航空发动机转子结构特殊,在平衡机上无法达到工作转速,只能在低速下进行平衡,有时效果并不理想,在实际运行中仍会由于平衡问题导致振动异常。针对存在不平衡量偏大的某型航空发动机,利用三圆法并结合实际情况,对其结构进行改装,实现了风扇转子的本机平衡,有效降低了低压转子的振动水平,经试验验证表明改装合理,平衡方法有效。该方法对其他型号发动机的本机平衡有较大的借鉴意义。     

虑及多转速的核心机转子高速动平衡试验

为满足航空发动机整机动平衡对转子不平衡振动精稳抑制的需求，采用虑及多转速状态的转子高速动平衡优化配平方 法，开展了核心机转子动平衡试验。以核心机转子系统为对象，研究在高压压气机转子第4、9级盘上配重抑制高压涡轮振动的可 行性。综合考虑核心机转子在多转速下的振动状态，以残余振动平方和及残余振动最大值为目标函数，采用优化算法对配平方案 进行优化，制定了核心机转子高速动平衡方案。在核心机转子系统试验台上分别进行了单平面-单转速、单平面-多转速、双平面- 单转速以及双平面-多转速动平衡的试验。结果表明：采用虑及多转速状态的转子高速动平衡优化配平方法能使因不平衡引起的 核心机转子振动在工作转速区间内均有所减小。     

航空发动机双转子系统的拍振分析

 在双转子航空发动机中，由于转子系统不可避免地存在不平衡量，当两个转子的转速比较接近时，发动机会出现拍振现象，拍振将引起振动强度过大问题。对双转子系统的拍振进行了研究，分析了拍振的周期性、信号强度及其反向转子特性，阐明了拍振产生的机理和特征，并采用数值仿真和试验对拍振进行了定量分析和验证。研究表明，拍振与双转子转速差和不平衡量的相位因素有关，当转速差小于工作转速的20%时，双转子系统拍振信号的强度较大。     

突加不平衡下弹性环挤压油膜阻尼器减振性能实验

为了研究在瞬态冲击（突加不平衡）下弹性环挤压油膜阻尼器(elastic ring squeeze film damper,ERSFD)对转子系统突增振动的抑制效果，设计并搭建带ERSFD的转子动力学实验台，开展突加不平衡动力学实验，获取阻尼器供油和不供油下转子系统升速及降速过程中的振动响应规律。结果表明ERSFD供油后有效地抑制了突加不平衡引起的瞬态响应，降低了突加不平衡引起的额外振动74.39%，同时抑制了转子经过临界转速的基频振动（幅值最大降低了62.18%）;ERSFD供油后会在转子系统中引入额外的刚度和阻尼，其综合效果表现为转子的临界转速较ERSFD不供油的状态下，1阶临界转速降低2.39%。     

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。     

某涡桨发动机低压模拟转子动平衡试验研究

某涡桨发动机低压模拟转子的工作转速在弯曲临界转速以下，该转子出现了由不平衡引起振动超限，导致无法运行至工作转速的问题，本文针对上述问题进行动平衡试验研究。首先，在动平衡机上对低压模拟转子进行低速平衡，再结合柔性转子高速动平衡技术，在高速旋转试验器上完成了低压模拟转子的高速动平衡试验，动平衡试验后的转子振动明显降低，表现出了良好的振动特性，平衡效果显著。本文的研究为控制高转速下同类型航空发动机转子的振动提供了一种有效的途径，具有重要的工程应用价值。     

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。     

基于真实数据反演的风扇转子本机平衡方法

针对风扇转子相位监测困难、振动传递路径复杂、不同机台动力学特性差异性大、动平衡效率低等现象,提出一种基于模型和真实动平衡数据反演的风扇转子本机平衡方法。首先,通过分解风扇转子振动传递路径,构建数据反演模型和确定反演特征参数;其次,利用真实动平衡数据反演出匹配各机台的关键特征参数K_cs(机匣到支点1动刚度);最后,基于反演理论建立多转速下机匣振动响应、特征参数K_cs和转子不平衡量的线性矩阵方程,实现转子不平衡量逆运算。本方法经风扇转子现场动平衡验证,可在给定的转速范围内实现100%振动抑制,抑振比达43%～68%,动平衡效率大大提高。     

风扇/增压级转子平衡转速计算模型的构建与应用

针对航空发动机风扇/增压级转子平衡工艺规划过程中平衡转速设定的问题,通过考虑叶片榫槽间隙、平衡设备性能和 转子气动扭矩等因素,构建风扇/增压级转子平衡转速计算模型。将某型发动机风扇/增压级转子的结构及性能参数带入模型,计 算得到转子的平衡转速,并与国外相似型号转子的平衡转速进行了比较。结果表明：通过模型计算得到的转子平衡转速为685 r/ min,与国外相似型号转子的平衡转速基本一致,并且满足该型风扇/增压级转子的实际平衡需求。该平衡转速计算模型已经成功 应用到风扇/增压级转子平衡的设计和工艺文件中,提升了风扇/增压级转子平衡工艺的正向设计能力。     

航空发动机双转子轴间碰摩非线性动力学特性

航空发动机双转子之间通常采用封严结构,容易导致双转子发生轴间碰摩。针对双转子轴间碰摩问题,推导了轴间碰摩力模型,结合实体有限元法建立了双转子轴间碰摩动力学模型,并将固定模态界面综合法和数值方法结合,提出了此类高维转子轴间碰摩响应的一般计算流程。基于该计算流程,详细研究了轴间碰摩导致的双转子复杂非线性动力学特性。结果表明：双转子发生轴间碰摩时,主要存在持续碰摩、间歇碰摩和自激振动三种碰摩状态。持续碰摩主要引起双转子间振动耦合;间歇碰摩对转子产生较明显冲击特征,导致转子频域响应中出现多阶模态频率成分及组合频率成分;自激振动则是由切向摩擦诱发的、转子正进动模态频率成分主导的一种运动状态,此时转子呈正向涡动,但振动幅值很高,对转子危害极大。通过减小摩擦系数或碰摩刚度,能显著减小自激振动发生的转速范围,提升转子运行稳定性。     

Aeroelastic simulation of the first 1.5-stage aeroengine fan at rotating stall

A massive parallel aeroelastic simulation platform has been built to investigate the first 1.5-stage fan of an aeroengine at rotating stall. The Computational Fluid Dynamics (CFD) solver and Computational Structural Dynamics (CSD) solver are coupled directly by non-matching mesh interfaces. The unsteady rotor/stator interaction is solved by the Sliding Mesh Interface method. The original rotor blades are shrouded by the midspan shrouds. An unshrouded fan is also created to investigate the effects of the midspan shrouds. Both the shrouded fan and unshrouded fan have stable aeroelasticity at the designed state. At rotating stall, the stalled region rotates at 30% of the rotor speed on the absolute reference frame. The energy spectrum of the rotating stalled flow is measured quantitatively. It shows that the first two order excitations are much stronger than the higher order excitations. In the flow of rotating stall, the fifth backward travelling wave mode of shrouded fan is resonated by the fifth excitation of the rotational stalled flow because the rotational speed of the stalled region coincides with the modal rotational speed, while for the unshrouded fan, the first bending mode is resonated by the second excitation of the rotational stalled flow, forming two waves in the circumference of the annulus blades. At rotating stall, the vibration of the shrouded blades is still under control but the vibration of the unshrouded blades is diverged and out of control. A novel tool, i.e., resonance map, is proposed to predict the resonance. It provides a perspective to explain the effects of midspan shrouds at a theoretical level, and it would also be helpful in the structural design of blades.     

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。     

复合材料风扇叶片-机匣碰摩振动的数值模拟

基于全三维模型的复合材料风扇叶片-机匣碰摩动力学特性的数值研究。建立了复合材料三维风扇叶片-机匣实体有限元模型，考虑叶片离心刚度的影响，机匣由贝塞尔曲面拟合，风扇叶片采用3种不同铺层形式。基于该模型，在机匣二节径变形的情况下，计算了不同铺层叶片在不同转速下与机匣碰摩后的动力学响应。计算结果表明:铺层形式对叶片中、低转速下的碰摩振动形式影响较大，带有90°铺层的叶片的最高振幅及不稳定振动所在区域的转速相对较低，改变铺层形式可以对复合材料风扇叶片-机匣的碰摩动力学特性加以控制。当转速靠近由3倍频与叶片1阶模态造成的共振点附近，或由6倍频与叶片2阶模态造成的共振转速附近时，叶片与机匣的碰摩会导致非稳定振动的产生。该方法与结果对复合材料风扇叶片的碰摩动力学特性研究具有一定指导意义。      

GMA椭圆油膜轴承性能实验

为研究超磁致伸缩驱动器（GMA）椭圆油膜轴承性能,搭建了三自由度可控椭圆轴承实验装置,利用GMA动态控制了椭圆轴承所支撑转子的轴心轨迹,观察了椭圆轴承油膜形成和破裂过程,考察了轴径转速、进油压力、偏心率等参数对椭圆轴承油膜气穴位置的影响。实验结果表明:椭圆轴承动态气穴内存在润滑油丝,逆着旋转油流方向移动;随着转速升高或者偏心率增加,椭圆轴承圆周方向油膜破裂边提前;随着转速增加或者进油压力减少,椭圆轴承气穴位置逆着轴向油流方向移动。利用GMA合理控制椭圆轴承短轴油膜间隙,可以更好的抑制转子系统的工频振动。研究结果可为椭圆油膜轴承的稳定性提供参考。      

基于统计特征的航空发动机风扇外物撞击检测

为了检测识别航空发动机工作过程中的风扇外物撞击事件,采用非接触叶尖振动测量系统对风扇叶片叶尖振动位移进行实时采集与检测。通过风扇叶片非接触叶尖振动位移数据统计分析,发现叶尖振动位移服从正态分布,并采用Epps-Pulley假设检验证明。设计了基于统计特征的风扇叶片外物撞击叶尖振动位移检测算法,采用该方法获取了风扇转子不同转速下外物撞击叶尖振动位移检测阈值。对风扇转子转速为3000r/min状态下,直径16mm、质量为2.9g的外物弹体撞击风扇叶片的振动位移数据进行分析,并采用高速摄像系统对该方法识别结果的可靠性进行验证。结果表明:基于统计特征的发动机风扇外物撞击检测方法,能够准确识别外物撞击风扇叶片事件及发生撞击的叶片编号。     

Non-synchronous blade vibration analysis of a transonic fan

This study numerically investigates the aeromechanic behavior of a transonic fan model with a flat tip-leading-edge on the NASA rotor 67 test case. Single-passage unsteady calculations at a near stall operating point of 82% design speed show that the dominant frequencies of mass flow were not the harmonics of the rotor rotational frequency. A full-annulus fluid–structure interaction analysis was subsequently carried out to examine the unsteady flows and their interactions with blade vibrations. The results show that the modal displacement of the backward traveling seventh nodal diameter of the second torsion mode grew exponentially, which reveals that the blade vibration was non-synchronous. The vibration pattern indicates that the aerodynamic mode was resonant with the structural vibration mode. Around the rotor tip, the circumferential vortical propagation induced by interactions among the main flow, tip leakage flow, and tip clearance vortex was the source of aerodynamic excitation. To clarify the mechanism of the non-synchronous vibration, the coupling between aerodynamic disturbance and structural response, i.e., aliasing, was summarized. The frequency spectra of the fluctuating pressure show that an aerodynamic Backward Traveling Wave (BTW) was co-aliased to a structural BTW due to the propagation of the circumferential vortex. The correlation between the frequency and free convective speed of the aerodynamic disturbance determined the directions of aliasing.     

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。