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。     

突加不平衡激励碰摩转子反向涡动分析

建立了考虑叶片-机匣碰摩、挤压油膜阻尼的模型,推导了转子发生失稳的判别条件。从复非线性模态角度分析了突加不平衡激励下转子的动力特性,揭示转子反向涡动响应的形成过程及存在条件。通过参数分析获得转子发生反向涡动的敏感参数及其影响规律,并根据突加不平衡激励下转子反向涡动的响应特征分析某航空发动机叶片飞失故障。计算结果表明：转子能够发生反向涡动需要满足两个条件,其一,转子本身存在反进动模态失稳区;其二,冲击载荷使叶盘幅值达到反进动模态阻尼失稳点并进入反进动模态失稳区。实际航空发动机转子中具有因突加不平衡而发生反向涡动的风险,会造成支承结构破坏,严重威胁航空发动机的安全。增加转子阻尼、降低叶尖-机匣摩擦因数、降低静子叶片刚度、采用挤压油膜阻尼结构均有利于降低该风险。     

叶片丢失激励下航空发动机柔性转子系统的动力学响应

为揭示叶片丢失激励下转子系统动力学响应特征,考虑涡扇发动机低压转子刚度/质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征等,建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型。对突加不平衡激励及持续碰摩约束下转子系统动力学响应特性进行分析。结果表明:所建立转子动力学模型可以有效反映叶片丢失激励下转子冲击振动和复杂简谐振动响应特征。在突加不平衡激励下转子系统的瞬态振动响应加剧,具有显著冲击响应特征,并伴有转子横向固有振动。持续碰摩所产生的约束作用可使转子临界转速发生变化,虽然响应幅值降低,但频率成分及转子振动趋于复杂。      

发动机双转子-机匣耦合系统碰摩故障分析

根据航空发动机双转子结构已被大量采用,构成航空发动机双转子-机匣耦合系统,将航空发动机转子系统简化为双转子-机匣耦合动力学系统,其中轴承被简化为弹簧和阻尼.考虑了低压转子与高压转子通过中介轴承的耦合作用,导出了连续体双转子多盘-机匣系统的四阶偏微分运动方程.运用变步长四阶龙格库塔法模拟了双转子系统的碰摩故障响应,分析了转速和中介轴承刚度对系统碰摩故障响应的影响,发现了该双转子模型在发生碰摩故障时的一些非线性动力特性,为解决工程实际问题提供了可参考的理论依据,具有一定的工程意义.      

转子与限位器局部与整圈碰摩试验研究

设计了储能飞轮转子与限位器碰摩试验装置,用电磁激振器激励转子,激振频率与转子—支承系统模态进动频率一致,得到了大幅度低频异步反向进动并实现碰摩。分析了碰摩力对转子运动的影响。局部碰摩转子的稳定振动表明内置式限位器能够有效地限制转子低频进动幅度,局部碰摩的特征是低频进动幅值不再增加、碰摩间断发生以及转子自转速度不变。      

航空发动机非线性转子系统同步全周碰摩的 温度影响分析

转子和静子碰摩是过程复杂且危害性很大的故障。为研究摩擦热对同步全周碰摩响应的影响,以航空发动机压气机转子为研究对象,考虑其刚度特性,建立了非线性转子系统分析模型,研究了单盘转子摩擦热碰摩响应特性,进行了数值分析,并与未考虑摩擦热效应的碰摩响应进行了对比。结果表明:碰摩处温度径向随相对碰摩点距离的增加呈非线性增大,周向呈对称分布并在30°时几乎等于室温;当考虑摩擦热效应时,发生同步全周碰摩的转速范围整体缩小,转子径向位移增大,摩擦热降低了同步全周碰摩的稳定性。     

突加不平衡激励下高速柔性转子系统振动特性试验

针对航空发动机高速柔性转子系统叶片丢失所造成的突加不平衡激励,基于结构/力学特征等效原则,建立高速柔性悬臂转子系统试验器,对突加不平衡及持续碰摩所产生的附加激励下转子系统振动响应进行试验测试,并对其时域/频域响应特征进行分析。结果表明:突加不平衡瞬时具有显著冲击效应,转子系统瞬态振动响应加剧,并激起转子横向模态振动;转静件之间的持续碰摩会产生约束作用使转子系统临界转速提高,呈现非线性振动,产生谐波振动频率成分。      

俯冲拉起飞行条件下航空发动机整机动力学特性分析

以某航空发动机带机匣双转子试验器为参考,分别采用截锥壳元素法和Timoshenko梁理论对其机匣和双转子系统进行了有限元建模,得到了试验器的整机转子动力学有限元模型。研究了俯冲拉起飞行条件下机匣支承刚度、安装节支承刚度与机动载荷对双转子航空发动机整机动力学特性的影响。研究结果表明:机匣支承刚度与机动载荷对发动机产生转静子径向碰摩的影响较大,而安装节支承刚度对发动机产生转静子径向碰摩的影响相对较小;机匣测点振动随机匣支承刚度的减小而减小,随安装节支承刚度的减小而增大;机匣测点振动对俯冲拉起机动载荷变化不敏感。     

航空发动机转子-滚动轴承-支承-机匣耦合系统的碰摩故障分析与验证

针对实际的航空发动机转子系统,建立了含碰摩故障的转子-滚动轴承-支承-机匣耦合动力学模型.在模型中,考虑了机匣运动,弹性支承、挤压油膜阻尼,充分考虑了轴承间隙、滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及由滚动轴承支撑刚度变化而产生的变柔性(VaryingcomplianceVC)振动.运用数值积分方法获取了系统响应,并建立带机匣的航空发动机转子实验器进行碰摩故障实验,仿真结果与实验结果比较分析表明了模型的有效性.      

航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力学分析

以双转子航空发动机为研究对象,建立了航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在模型中,考虑了低压转子与高压转子的中介轴承、高压转子与机匣的碰摩、以及滚动轴承外圈与轴承座之间的弹性支承和挤压油膜阻尼等耦合作用.在滚动轴承模型中,考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(Varying compliance)振动等.最后,运用数值积分方法获取了系统响应,对双转子系统响应进行动力学分析与验证.      

Modal analysis strategy and nonlinear dynamic characteristics of complicated aero-engine dual-rotor system with rub-impact

This paper aims to gain insight into the nonlinear modal characteristics and the possible influence of the modes on the responses for the practical dual-rotor system with rub-impact in aero-engine. The finite solid element method combined with a constraint stiffness model produced by rub-impact is introduced to build the governing equation of the complicated nonlinear dualrotor system. In order to deal with the efficiency and numerical divergence in the process of solving the nonlinear modes of ...     

Application of complex nonlinear modes to determine dry whip motion in a rubbing rotor system

Dry whip motion is an instability of rubbing rotor system and may cause catastrophic failures of rotating machinery. Up to now, the related mechanisms of the dry whip is still not well understood. This paper aims to build the relationship between the complex nonlinear modes and the dry whip motion, and propose an effective method to predict the response characteristics and existence boundary of the dry whip through complex nonlinear modes. For the first time, the paper discusses how to use the complex nonlinear modes to predict the dry whip systematically, and as a consequence, the mechanism of the relationship between the complex nonlinear mode and the dry whip is revealed. The results show that the Backward Whirl (BW) mode motion of the rubbing rotor system dominates the response characteristics and the existence boundary of dry whip. The whirl amplitude and whirl frequency of dry whip are equal to the modal amplitude and modal frequency of the BW mode at the jump up point where the modal damping is equal to zero. The existence boundary corresponds to the critical rotation speed where the minimum of the modal damping of the BW mode motion is exactly equal to zero. Moreover, the proposed nonlinear modal method in this article is very effective for the prediction of dry whip of the more complicated practical rotor system, which has been verified by applying the predicted method into a rubbing rotor test rig.     

转子-支承-机匣系统碰摩试验及特征提取

针对航空发动机转子系统的结构特征和转静件碰摩的动力学特征,建立了转子-支承-机匣系统碰摩模拟试验器.对叶片与机匣间轻微碰摩和严重碰摩两种工况下转子和机匣振动响应进行了试验测量,并基于连续小波变换和连续小波包能量的时-频分析方法分别对转子和机匣的振动信号进行了特征提取.结果表明机匣响应信号同时包含高频冲击信号和低频摩擦信号,轻微碰摩时以碰撞冲击效果为主,机匣响应主要为高频冲击信号;严重碰摩时摩擦效应增强,可为碰摩故障诊断和识别提供方法和依据.      

转子进动分析的4个定理

建立4个关于转子进动的定理.定理1为转子进动圆的面积定理;定理2为转子进动圆的周长定理;定理3和4则描述了转子上的作用力及其所作的功与转子进动的关系.应用上述定理,对不平衡力、阻尼力和反对称交叉刚度产生的弹性力所做的功进行了分析.所得结论与经典理论一致.但发现,ω_y＜Ω＜ω_x时,由于|r_-|＞r₊|,反对称交叉刚度产生的弹性力做负功,W＜0.这种情况下,反对称交叉刚度为镇定因素,有利于抑制反进动失稳.      

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.     

基于滞回碰摩力模型的转子系统碰摩响应研究

转/静子碰摩是影响旋转机械的稳定性与安全性的重要因素之一,而碰摩力的表征则是预测转子系统动力学响应的关键问题。讨论了已有转/静子碰摩力模型的适用范围,重点阐述滞回碰摩力模型的物理意义,并与几种经典的碰摩力模型进行比较;以Jeffcott转子作为典型例子,基于滞回碰摩力模型给出系统的碰摩响应,并与采用线性碰摩力模型所得到的碰摩响应进行比较;利用数值仿真的结果分析静子刚度、转子偏心距等因素对采用滞回碰摩力模型的转子碰摩响应的影响。数值仿真的结果表明:采用滞回碰摩力模型得出的失稳速度(1226 rad/s)低于采用线性碰摩力模型得出的失稳速度(1476 rad/s),且系统的动力学特性更为复杂,因此,可以更真实地反应碰摩的物理实质。     

螺桨转子颤振涡动的试验研究

当涡桨飞机因发动机安装结构中某一部件损坏 ,致使螺桨轴轴头刚度下降 ,其螺桨发生颤振涡动的极限飞行速度会下降。风洞试验研究证实了上述理论是正确的     

转静件碰摩状态下的叶片振动载荷和振动特性测试分析

研究转静件碰摩状态下叶片载荷测试方法,测试叶片在碰摩力的冲击与摩擦力作用下的振动特性,给出叶片和机匣受冲击力的时间载荷和频谱,证明叶片在各种碰摩力作用下不发生共振,只受弯矩作用等现象.为旋转机械转静件碰摩作用下叶片的强度分析提供依据.