航空发动机转子一种振动跳跃问题及其工程控制的分岔分析

为研究带挤压油膜阻尼器的航空发动机转子的振动跳跃问题,采用弹性支承的刚性转子模型,结合短轴承π油膜的油膜力模型,建立了系统的动力学方程.采用平均法和非线性动力学中的Chen-Langford（C-L）方法得到了关于轴承系数和转子偏心量参数平面内的转迁集,转迁集将参数平面划分为三个区域,不同区域内具有不同的分岔模式,其中区域Ⅰ为无跳跃现象的理想区域.通过一带有“软特性”非线性特性的附加结构,可以增加区域Ⅰ的范围,减小跳跃区域,扩展了系统的参数优选范围.      

机动飞行条件下双转子系统动力学建模与响应分析

考虑航空发动机双转子中介轴承的耦合作用及陀螺力矩的影响,利用Lagrange方程建立了机动飞行条件下双转子-滚动轴承支承耦合系统动力学模型，对耦合双转子系统的动力学特性进行了理论与实验研究.结果表明:随着内外转子转速比增大，高压转子振动幅值减小，分岔点处转速增大，最大增幅近67.49%.机动飞行使转子的振动响应幅值增大，出现较多分频.在跃升和横滚飞行姿态下，高压转子响应主要表现为:随着跃升速度增加，高压转子振动幅值明显增加，最大增幅近409.24%，分岔点对应的速度增大；在横滚速度增大时，转子振动特性主要表现为从复杂的运动形态变换到单周期运动形态,转子的振动幅值明显增加.利用基础运动双转子模型实验台对跃升和横滚两种飞行姿态下耦合双转子系统的部分动力学特性进行了实验研究,实验结果与数值模拟结果有较好的一致性，证明了计算结果的正确性.      

转子-电磁轴承系统动静件碰摩动力特性研究

对转子—磁轴承系统动静件间发生碰摩时的非线性动力学行为进行了研究,在考虑质量偏心的情况下建立了系统的数学模型,求解了系统的周期解,并结合分岔图、庞加莱映射和频谱分析研究了系统的动态特性,研究表明系统发生碰摩后,随着转速及偏心率的增加,转子运动中具有连续的周期分岔现象,并走向失稳,其频谱图中组合频率在奇数倍频附近发生了从右到左的频移现象。这些研究结果可用于控制碰摩后电磁轴承的稳定性,避免大事故的发生。其振动频率特征可判别磁轴承系统是否发生了碰摩故障。      

滑动轴承—转子系统Hopf分岔分析计算方法

基于Hopf分岔定性理论、周期系统Floquet理论,针对流固耦合系统力函数计算特点,并考虑系统规模大小对算法的不同要求,提出了一套新的转子-轴承系统Hopf分岔分析计算方法。这套方法主要包括自激周期解计算的边值方法、周期解稳定性判别算法、周期解预测-校正延续算法、自激振动的稳定裕度准则等,可以有效地确定转子-轴承系统Hopf分岔临界点及分岔方向,可以研究分岔解的发展、变化,包括研究实践中关注的“跳跃”、“迟滞”等典型非线性现象。      

超高速转子系统动力学特性(II):碰摩转子

为排查超高速转子系统碰摩故障的原因,利用混沌、分岔理论,研究了碰摩转子动力学特性。以实际转子结构为对象,建立物理模型,由拉格朗日(Lagrange)法建立系统动力学方程并数值求解,结合分岔图、轴心轨迹、相图、Poincare映射等手段,考察了碰摩转子的动力学行为及系统参数变化对其动力学特性的影响。研究结果表明:质量盘之间的动力耦合效应较弱,有利于系统稳定性;既定转子结构不致引起高速混沌状态进而导致碰摩。研究内容为探求故障原因提供了依据,所涉及的故障分析方法和过程可作为系列化微型涡喷发动机设计的参考。     

考虑表面波纹度的滚动轴承-转子系统非线性动力特性

提出了考虑滚动轴承内外圈滚道表面波纹度、Hertzian弹性接触力和径向游隙等非线性因素的滚动轴承模型,建立了滚动轴承-转子系统的动力学微分方程,并用Runge-Kutta-Felhberg算法对其求解.利用分岔图、Poincaré映射图和频谱图,分析了参数变化时的滚动轴承-转子系统的分岔、混沌等非线性动力特性.结果表明:外圈波纹度波数与滚动轴承滚珠数目相等时,转子系统会产生强烈振动;转子系统进入混沌的主要途径是倍周期分岔;内圈波纹度引起的振动频率与波数有明确的函数关系.      

非稳态油膜力作用下转子振动的分岔与稳定性分析

 利用新的短轴承非稳态油膜力模型分析转子系统的动力学特性, 并通过数值模拟, 得到了该系统随转动角速度变化产生的分岔和混沌特性。利用非线性动力学分析中的打靶法求该系统的周期解, 并利用Floquet 主导特征乘子判断不同周期轨道的失稳方式, 同时发现在系统的运动中存在着倍周期分岔和第二Hopf分岔及鞍结分岔。通过打靶法和Runge-Kutta 方法发现该系统在一定的角速度范围内存在加3 周期分岔。     

超高速转子系统动力学特性(I):无碰摩转子

为排查超高速转子系统碰摩故障原因,利用混沌、分岔理论,研究了无碰摩转子系统的动力学特性。以实际转子结构为对象:建立物理模型;由拉格朗日(Lagrange)法建立系统动力学方程;用四阶龙格库塔(Runge-Kutta)法数值求解方程;结合分岔图、轴心轨迹、相图、Poincare映射等手段,分析了无故障转子系统的动力学行为及系统参数变化对其动力特性的影响。结果表明:该转子系统动力学状态过渡过程不明显,在全转速域内,振动以高频低幅为主,高速时具有良好的动力稳定性;扭振特征不明显;质量盘之间的动力耦合效应较弱,有利于系统稳定性;对于单个质量盘,弯振和摆振具有同步性和耦合性,横向振动和扭振动力耦合效应较弱。研究结果说明,该转子结构在冷态条件下,不致在高速状态下引起混沌运动状态。     

碰摩转子-轴承系统非线性动力学行为研究

为了充分揭示碰摩转子系统复杂的非线性动力学行为,将多初始点分岔分析方法应用于碰摩转子—轴承系统的研究当中。通过对给定参数下转子系统响应的数值模拟,发现了比单初始点算法更加丰富的非线性现象,在一定的参数范围内该碰摩转子系统有多吸引子共存,并对解的演化过程进行了研究,结果很好地解释了碰摩转子系统中一些复杂的非线性现象。      

含间隙球轴承-转子系统的主共振研究

 为了深刻揭示球轴承-转子系统的共振机理,考虑了重力、装配等因素引起的非对称轴承间隙以及滚珠与滚道之间的Hertz接触,建立了球轴承-转子系统的运动方程,首次应用平均法求得了系统在主共振情况下的解析解,并讨论了系统参数对主共振的影响。根据奇异性理论方法计算得到了系统参数平面上的转迁集,研究了不同参数域内共振解的分岔模式,最后通过数值仿真验证了理论分析的正确性,从而为球轴承-转子系统的振动控制提供了理论依据。     

涡轮转子径向变形多目标协同稳健性优化

考虑到涡轮转子径向变形对涡轮叶尖径向间隙以及篦齿径向封严间隙的影响,提出涡轮转子径向变形多目标协同稳健性优化方法。利用基于Kriging模型的分布式协同响应面法(DCRSM)分别建立涡轮转子和涡轮篦齿的参数与径向变形间的响应面模型,并求解单目标下的稳健最优解。采用理想点法建立涡轮转子和篦齿径向变形多目标协同稳健性优化模型,并进行多目标协同稳健性优化求解。优化结果显示:提出的多目标协同稳健性优化方法与单目标稳健性优化方法相比涡轮转子和篦齿径向变形量的标准差分别降低了2.6%和4.9%。提出的方法为涡轮转子参数设定提供一定的参考。      

基于无线激光通信的转子参数遥测方法研究

为了满足航空发动机转子、直升机旋翼等旋转部件动态参数的高速实时采集需求,提出了一种基于无线激光通信的旋转部件非接触参数遥测方法,并给出了基于该方法的参数遥测系统总体方案.重点研究了光电数据传输通道中发射激光器的信号驱动、光电探测器的信号放大及串行/解串器等关键电路的设计方法.设计了理论最大传输速率达622 Mb/s的无线激光通信收发模块,并测试了收发模块的实际性能.最后,研制了参数遥测试验样机,该样机在旋转状态下的数据传输率达300 Mb/s,满足航空发动机转子的动态参数遥测要求.      

裂纹转子非线性振动特征的谐波小波与分形识别

通过对谐波小波的分析研究,指出了谐波小波对振动信号局部频段分析的优良特性。采用谐波小波对裂纹转子的非线性振动信号在低频段进行了分析。理论分析与实验结果表明:对实际裂纹转子信号,经谐波小波的频段分析后,能够得到通常难以由理论分析与实验结果获得的非整数倍周期分叉的非线性特征频谱。计算了裂纹转子的分形维数,发现裂纹转子的振动信号比理论结果要复杂、可以用多重分形作为判断实际转子是否有裂纹的一个特征。提出了用谐波小波变换后的奇异谱来识别裂纹转子非整数倍周期分叉的非线性特征频谱的方法,并对实际转子信号进行分析,得到了明显的非整数倍周期分叉的奇异谱。      

指尖密封动态性能分析与泄漏量计算

指尖密封作为一种新型密封技术,不平衡力激励条件产生的动态迟滞泄漏以及动态磨损是制约其性能提高和应用的两个重要因素。为此,对指尖密封动态工作条件下的激励形式和装配过盈进行了技术处理,构建了指尖密封系统的动力学分析模型,获得了指尖密封在转子激励下的位移响应以及动态条件下指尖靴与转子之间的接触压力分布,并根据位移响应结果得到了指尖密封的动态泄漏间隙,建立了指尖密封动态泄漏率计算方法。以某型发动机转子为实际算例进行了分析计算,结果表明：适当设计装配过盈可以降低指尖密封响应幅值,缩小与转子激励的相位差,减小迟滞,提高跟随性,改善密封效果;指尖靴与转子之间的接触压力随转子的激励做周期性变化,无论是过盈量还是密封上下游压差的增加都会增大接触压力,并且使一个运动周期内指尖靴与转子的接触时间变长;转子位移激励的幅值受到支承轴承游隙的约束,当转子达到“特定”转速以后受到轴承游隙的限制而等于游隙。通过与参考文献中试验结果的对比分析验证了计算结果的合理性。     

密封-转子系统气流激振问题数值仿真

对于密封中发生气流激振的故障诊断问题,基于有限元方法,应用Muzynska非线性密封力模型建立了密封-转子系统动力学模型,通过数值积分方法研究了升/降速过程的气流激振失稳规律和振动特性,并分析了在变速和稳速情况下偏心量的影响。结果表明:气流激振力会使系统固有频率升高,使发生共振时的振幅降低;发生气流激振会出现锁频现象并伴有组合频率特征;降速时由于气体的流动性强从而导致切向惯性力很弱,惯性效应不明显;当偏心量较小时频谱上只出现了锁频,随着偏心增大组合频率出现并不断丰富;稳速时气流激振频率随偏心的提高而增大,并出现了频率突变。      

指尖密封动态性能分析与泄漏量计算

指尖密封作为一种新型密封技术,不平衡力激励条件产生的动态迟滞泄漏以及动态磨损是制约其性能提高和应用的两个重要因素.为此,对指尖密封动态工作条件下的激励形式和装配过盈进行了技术处理,构建了指尖密封系统的动力学分析模型,获得了指尖密封在转子激励下的位移响应以及动态条件下指尖靴与转子之间的接触压力分布,并根据位移响应结果得到了指尖密封的动态泄漏间隙,建立了指尖密封动态泄漏率计算方法.以某型发动机转子为实际算例进行了分析计算,结果表明:适当设计装配过盈可以降低指尖密封响应幅值,缩小与转子激励的相位差,减小迟滞,提高跟随性,改善密封效果;指尖靴与转子之间的接触压力随转子的激励做周期性变化,无论是过盈量还是密封上下游压差的增加都会增大接触压力,并且使一个运动周期内指尖靴与转子的接触时间变长;转子位移激励的幅值受到支承轴承游隙的约束,当转子达到"特定"转速以后受到轴承游隙的限制而等于游隙.通过与参考文献中试验结果的对比分析验证了计算结果的合理性.     

转子密封系统反旋流抑振的数值模拟

把研究物体在流场中振动时的受力和运动特性的非线性振子模型,推广到转子密封系统非线性动力学问题的研究中,突出了小间隙中非定常流对转子运动的影响,分析了反旋流抑制转子不平衡响应和密封流体激振的机理。对某转子密封系统的计算及其与实验数据的对比,证实了本文方法的有效性,为在工程实际中推广反旋流技术提供了一些理论依据。      

基于系统响应特征的指尖密封泄漏特性分析

结合指尖密封动态工作特点,通过研究转速和转子不平衡力与转子跳动之间的关联规律,得到转子的位移激励,构建了指尖密封系统的动态计算模型,依据指尖密封的系统响应特征研究其泄漏间隙的获取办法,进而基于泄漏间隙特征建立了指尖密封动态泄漏量计算方法.针对某型发动机转子进行了动态泄漏量分析,结果表明:在转子每个转动周期内,指尖密封的动态响应跟随转子激励周期性变化,由此产生的动态迟滞泄漏间隙也随时间而周期性变化,迟滞泄漏的大小随着密封上下游压差的增加而增大,随着转子转速的升高先增加后减小;设置一定的装配过盈量能够一定程度地减小迟滞泄漏;指尖密封磨损后迟滞泄漏规律表现出先减小后增加再降低的变化趋势;与国内外试验结果的对比分析初步验证了提出的计算方法,为指尖密封动态性能设计方法研究提供了参考.      

波浪形非均匀间隙封严结构影响涡轮性能的数值模拟

利用数值模拟的方法研究了波浪形非均匀间隙封严结构和均匀轴向间隙封严结构下轮缘封严气流对涡轮性能的影响.研究表明:燃气入侵与出流结构受到静盘、动盘及主流切向速度的影响,以低于动盘转速同向旋转,并改变了转子的进气条件,增强了压力面马蹄涡强度,因此对转子出口流场造成很大影响.封严气流与上游导叶尾迹的相互作用引起转子通道内熵增,造成涡轮效率的下降.与均匀轴向间隙封严结构相比,波浪形非均匀间隙封严结构使大的入侵与出流结构破碎为小的结构,对涡轮性能的负面影响减小,涡轮效率提高了0.9%.结果证明了波浪形非均匀间隙封严结构在具有较好的封严效果的同时提高了涡轮性能.      

指尖封严磨损特性及其对泄漏影响的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合的指尖封严的磨损特性及其对泄漏的影响进行了试验研究,分析了不同配合状态下封严件与转子的磨损现象、磨损长度以及封严泄漏系数的分布.试验结果表明:封严磨损随封严与转子相对滑动距离增大而增加；间隙配合状态下,封严出现局部磨损,磨损及其对泄漏的影响主要发生试验初始阶段；过盈配合时,封严件整体均出现磨损,且磨损发生在整个试验阶段,磨损对泄漏的影响在初始阶段较大、之后逐渐减小；封严的间隙越小(过盈量越大),磨损对泄漏影响越大.