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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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      

共用支承-转子系统耦合振动分析及试验

针对带有涡轮级间共用承力框架的高功质比涡轴发动机结构系统,建立共用支承-转子系统动力学方程,探究燃气发生器转子、动力涡轮转子与共用承力框架结构系统耦合振动产生条件及振动特性。基于ANSYS有限元仿真计算了共用支承-转子系统耦合振动特性。针对涡轴发动机涡轮级间承力框架,设计了共用支承-转子系统模拟试验器,运用激振器模拟转子不平衡激励,利用试验对模拟转子动力特性的相互影响进行了定量分析。理论计算结果表明,转子支点与支承结构通过力平衡和位移协调联系在一起,之间存在刚度耦合项,进而使共用支承-转子系统发生耦合振动。对系统振动响应仿真计算结果表明,共用支承会影响转子动力特性,不同转子不平衡激励均可激起相应转子的振动。通过试验验证了在发生耦合振动时,转子的振动响应频谱中同时包含两个转子转速频率,定义耦合影响系数,地面慢车状态两个转子相互之间的耦合影响系数分别为33%和6079%,最大连续状态分别为1278%和688%,最大起飞状态分别为1356%和581%,转子间的动力特性耦合影响大小与频率有关系。     

高涵道比涡扇发动机结构与力学性能定量评估

针对高涵道比涡扇发动机结构设计需求，提出转子系统、承力系统和整机的结构效率评估参数，建立了结构设计参数与力学特征参数之间的联系。典型发动机评估结果表明:受大尺寸风扇限制，高涵道比涡扇发动机低压转子系统的平均应力系数在0.2~0.3之间，低于其他类型的航空燃气涡轮发动机。在工作转速范围内，低压转子不可避免地存在弯曲型临界转速，须将转子连接结构设计在低应变能区域。机动飞行中，整机的转静间隙值变化范围为［-1.4,1.0］mm，低压涡轮是间隙控制的重点位置。      

微小型涡喷转子结构热工作稳定性分析及试验验证

针对某型微小型涡喷发动机高速转子进行结构热工作稳定性分析,采取高精度整体动平衡、热态动平衡检查以及必要的结构阻尼和隔热冷却处理进行试验验证.结果表明:转子不平衡量减小,在合适外阻尼作用下转子持续稳定,后轴承隔热屏的安装使转子支承测点平均温度降低,减少了转子支承的热量输入,减轻了热流对支承刚度以及阻尼的影响,改善了发动机转子结构热工作稳定性,提升了发动机整机稳定性和安全性.      

转子初始弯曲对航空发动机振动的影响

针对某型发动机地面性能调试试验中所表现的振动特征，推测高压转子工作状态不佳为振动异常的可能原因。对发动 机分解检查时发现高压压气机后轴存在跳动超差的现象。更换满足要求的后轴后，发动机未再出现类似异常振动，证明振动分析 的正确性。为探索该弯曲转子在发动机动平衡及真实运转过程中的力学表现，利用带初始弯曲的Jeffcott转子对目前低速动平衡 的原理进行了推导，说明了低速动平衡不能消除转轴存在初始弯曲对振动的影响。结合有限元仿真分析，对带初始弯曲的转子响 应进行了计算，结果表明：若初始弯曲偏大，会显著加剧转子自身在临界转速附近的振动响应，给转子的安全稳定运转带来巨大的 风险，控制转子的初始弯曲量级对控制整机振动具有重要意义。     

装不同传动轴动力涡轮转子的高速动平衡及重复性考核试验研究

在高速旋转试验器上完成了装实心和空心传动轴动力涡轮转子的高速动平衡及装配引起的不平衡分散度考核共9次试验。结果表明：装机用动力涡轮转子的临界转速设计合理；高速动平衡对减小细长柔性转子的动挠度效果显著；对平衡好的转子进行分解和重新装配将带来附加的不平衡(装配不平衡)，从而引起转子振动幅值发生变化，但只要保证高速动平衡精度和装配质量．就不会对转子原有的平衡造成实质性的破坏。     

带悬臂涡轮盘发动机转子的振动特性及平衡技术研究

在旋转试验器上研究了带悬臂涡轮盘火箭发动机氧涡轮泵转子的振动特性,并在此基础上完成了氧涡轮泵转子的高速动平衡试验.结果表明：氧涡轮泵转子的振动与悬臂涡轮盘的不平衡量密切相关,单面高速动平衡技术对减小悬臂柔性转子的振动效果显著.     

风扇转子动特性试验与分析

转子不平衡是引起发动机振动的主要原因。针对风扇转子工艺状态平衡良好,但工作状态不平衡量较大所引起振动偏大的现象,对其变化规律及影响因素开展转子动特性试验。采用卧式转子试验器测量风扇转子在工作转速范围内各截面的振动响应,利用三圆法测算出转子动不平衡量在高、低转速间存在的明显差异,主要是套齿连接结构刚度变化及叶片工作状态差异引起。通过窄带跟踪滤波提取出转子在各典型转速下基波弹性线,发现风扇转子本身未发生较大挠曲变形,为准刚体状态。其相位测试结果表明:风扇转子与多功能轴间存在明显的非同步振动规律。     

涡轴发动机动力涡轮转子动力特性研究

应用有限元方法建立了某新型涡轴发动机动力涡轮转子动力特性的计算模型,对转子在不同情况下的动力特性——临界转速、振型和不平衡响应分别进行了系统的计算分析,得到了转子的前5阶临界转速、前5阶主振型和前两阶不平衡响应曲线,并计算了平衡卡箍对转子动力特性的影响。试验表明:计算模型能真实反映转子的动力特性。研究结果为转子的后续高速动平衡试验提供了参考和依据。      

Investigation on nonlinear lateral-torsional coupled vibration of a rotor system with substantial unbalance

Substantial unbalance may be caused by fan blade off during the operation period of gas turbine engines, and related dynamic problems are very critical to the safety design of rotor system in aero-engine. This article aims to understand lateral-torsional coupled vibration of the rotor system with substantial unbalance. The governing equation of a modified unbalanced rotor system is established based on Lagrangian approach. Then, a mathematical analytical method is proposed in which a linear approximation is derived and the Floquet theory and Hill’s method are incorporated, from which the modal characteristics of the unbalanced rotor are obtained. The modal characteristics of the unbalanced rotor system are revealed comprehensively for the first time. Furthermore, the relation between the modes and responses of the unbalanced rotor is discussed in detail. The results show that the lateral vibration and torsional vibration of the unbalanced rotor are coupled through the inertial terms in the governing equations. Due to the coupling, veering and lock-in phenomena occur between the frequencies of the forward whirl mode and the torsional mode. Furthermore, lock-in can lead to a kind of principal instability. With regard to the response of the unbalanced rotor, both natural vibration components and enforced vibration components appear in the lateral response, while only natural vibration components appear during torsional vibration. Moreover, natural vibration components play a crucial role in the response within the principal instability region and cause divergence of the vibration amplitudes in the lateral and torsional directions.     

涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡技术研究

针对动力涡轮转子空心、薄壁、大长径比、带弹性支承和挤压油膜阻尼器、内置测扭基准轴的结构特点,提出了一种改进的"多转速、多平面、分步平衡"的方法,设计了一组精密平衡卡箍,建立了一套涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡的平衡步骤和平衡工艺,给出了动力涡轮转子的平衡判定准则,在全转速范围内进行了动力涡轮转子的高速动平衡,最高平衡转速大于20,000r/min。所建立的平衡方法和工艺已应用于某型涡轴发动机动力涡轮转子的高速动平衡,效果良好。      

判断主不平衡转子的方法

本文提出了一种通过在机匣上测量振动信号以判断主不平衡转子是压气机转子或是涡轮转子的方法,可供航空发动机进行本机平衡时使用,可省时、省钱。