航空发动机耦合双转子系统响应特性分析方法研究

涡扇发动机普遍采用耦合双转子结构,由于中介轴承耦合的影响及高、低压转子动力学特性的复杂性,导致转子-支承系统在设计时常无法避开所有临界转速。通过添加弹性及阻尼结构,可有效减小过临界转速时转子系统的振动。为分析耦合双转子结构过临界转速时的振动响应特性,可通过迭代法获得支点阻尼器的阻尼值,并利用过临界转速时稳态响应的Nyquist图椭圆近似特征对结果进行修正,从而得到更具参考价值的响应特性。     

控制参数对磁悬浮轴承转子系统动态特性的影响

对某磁悬浮轴承转子系统的动态特性进行理论分析与实验研究,讨论了系统的固有频率、刚度及阻尼与控制参数的关系。结果表明,控制参数的变化对系统第一阶弯曲固有频率值的影响很小,只能通过改变转子本身的尺寸,使转子工作转速远离该阶弯曲固有频率。另一方面由于支承阻尼过小且控制参数的调节范围有限,易造成转子在亚临界或超临界运行时因振幅过大而与轴承发生碰撞。     

常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性

研究了常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性.考虑裂纹单元截面中性轴的时变特性,推导了裂纹转子的刚度矩阵,考虑重力及不平衡激励,采用有限元法建立了常开空心轴裂纹转子系统的动力学方程.采用谐波平衡法对方程进行求解,给出了不同裂纹深度下的三维幅频图,表明在临界转速和亚临界转速处均有峰值出现;分析了裂纹深度、裂纹位置对该系统的临界转速的影响,表明位于跨中靠近惯性量较大圆盘的深裂纹对常开空心轴裂纹转子系统的影响大,临界转速下降快;计算了该系统在亚临界转速时的非线性振动响应,结果表明:亚临界转速下常开空心轴裂纹转子系统会发生超谐共振现象.所提出的空心轴裂纹的建模方法为航空发动机转子系统裂纹故障的非线性动力学分析提供了理论指导.     

静压气体轴承气膜力及其与转子耦合动力学特性研究

针对静压气体轴承,进行三维实体建模,采用供气孔区域非结构化网格和非供气孔区域结构化网格相结合的网格划分方法;采用基于有限体积法的计算流体动力学(CFD)商业软件对三维稳态可压缩气体Navier-Stokes(N-S)方程进行求解;根据计算结果,通过数据拟合获得了考虑转子偏心和转速的静压气体轴承气膜支承力模型.基于有限元法建立了气体轴承-转子系统动力学模型,采用Newmark逐步积分法求解了系统的临界转速和不平衡响应.在此基础上进行实验测试,验证了数值仿真结果.研究结果表明:低速、小偏心下,气膜主支承力随偏心呈近似线性变化;高速、大偏心下,气膜主支承力急剧增大,气体轴承的动压效应显著增强;气膜x,y向耦合支承力随转速和偏心呈非线性变化;转子系统一、二阶临界转速对当前结构刚度变化比较敏感,而三阶临界转速对此不敏感.因此,气体轴承气膜支承力的非线性特性及其与转子耦合动力学特性较为复杂,在对气体轴承进行结构设计时,应充分考虑其与转子的耦合,合理设计工作转速范围.     

多故障转子-滚动轴承系统的动力学特性

为深入研究多故障转子-滚动轴承系统的机理,充分考虑了旋转部件的扭矩、剪切力、转动惯量及陀螺力矩等效应,采用Timoshenko梁单元和转盘单元建立了转子的有限元模型,集成了滚动轴承动力学模型,及不平衡、不对中、碰摩、裂纹及松动等故障模型,得到了多故障转子-滚动轴承系统的动力学方程。采用变步长龙格库塔法,获得了转子-滚动轴承系统的位移响应,研究了系统位移响应随转速变化的分岔图、庞加莱截面,以及故障特征处的时域波形图、轴心轨迹图、相平面图和频谱图,探究了多故障转子-滚动轴承系统的故障特征及其动力学特性和规律。仿真分析结果表明：多故障转子-滚动轴承系统在运行过程中存在周期运动,拟周期运动和复杂的类混沌运动等丰富的非线性行为,且在各非线性行为转速区间内,会呈现不平衡、不对中、碰摩、裂纹和松动等单一故障或耦合故障的特征和现象。     

考虑中介轴承波纹度的双转子系统的非线性振动

针对考虑中介轴承波纹度的双转子模型,应用转子动力学理论和拉格朗日方程建立系统的运动方程,采用数值方法求得系统的非线性振动响应,并分析了转速、波纹度最大幅值、波纹度波数和波纹度初始幅值对系统动力学行为的影响规律.结果表明:波纹度对高、低压转子动力学行为的影响规律基本一致,随着转速的增加,高、低压转子的运动表现为周期运动与非周期运动交替变化,在较低转速区可能发生概周期及混沌运动.随着波纹度最大幅值的增大,系统可由周期运动演化为周期2运动、概周期运动及周期4运动,表明波纹度最大幅值增大时不利于系统的安全平稳.当波数为滚动体数的整数倍时,系统可能出现概周期及混沌等复杂非周期运动.随着波纹度初始幅值的增大,系统表现为概周期运动与混沌运动交替出现,但波纹度初始幅值相对较大时转子系统的振动幅值相对较小.      

双转子-支承系统动力学特性的有限元分析

利用有限元法对一个具有弹性基座的双转子-支承系统的临界转速和不平衡响应进行计算,把计算结果与该模型不考虑弹性基座的双转子-轴承系统的结果进行对比。结果表明,考虑弹性基座的双转子-支承系统的前三阶临界转速降低了,系统在155 Hz～200 Hz范围内临界转速的个数增加了,但在临界转速下的振幅减小了。因此考虑弹性基座对双转子-支承系统动力学特性的影响具有重要意义。     

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.     

水平盘旋下裂纹转子的非线性响应

研究了裂纹转子在平飞和水平盘旋状态下的非线性响应,建立了水平盘旋下裂纹转子的数学模型,推导了转子运动方程.由结果发现:响应进入混沌的道路有拟周期环面破裂、周期3运动失稳和阵发性混沌进入混沌3条.水平盘旋一般会对系统的非线性响应起到抑制作用,但是系统响应的振幅明显增大,因此增大了转轴发生断裂和转子碰摩的可能性;并且,水平盘旋会激起转子摆振临界转速分频附近的非线性振动.     

基于时频分析的裂纹转子碰摩故障特征研究

为研究转子系统耦合故障特性,采用有限元方法建立了含有横向裂纹、转静碰摩的非线性转子动力学模型。首先研究了不同转速下裂纹、碰摩单一故障下转子系统的振动响应,其次研究了两种故障耦合情况下系统的振动响应特征。采用波形图、FFT谱图、瞬时频率和Hilbert-Huang时频谱(HHS)相结合的方法对故障转子振动信号进行了分析。分析结果表明:运用多种时频分析相结合的方法可以较为全面地了解转子的故障特征,裂纹转子在1/5、1/3临界转速时会发生较为明显的5X、3X谐波,且裂纹的产生会导致响应幅值增大,从而引起更为严重的碰摩。     

双盘三支撑转子轴承系统松动-碰摩耦合故障分析

针对由于支座松动而引起松动-碰摩耦合故障的转子-轴承系统,建立了双盘三支撑的松动-碰摩耦合故障转子系统力学模型和有限元模型.基于非线性有限元方法,使用松动端等效刚度模型及接触理论研究了碰摩刚度和松动刚度两个重要参数对系统动力学特性的影响.通过对在不同碰摩刚度及不同松动刚度条件下的系统动力学特性的研究,发现松动-碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主,并且时域波形高矮峰交替出现,轴心轨迹呈现“梯形”,这一特性可以作为诊断松动-碰摩耦合故障的一个依据.     

基于弹流润滑转子-滚动轴承系统碰摩-不对中耦合故障的动力学分析

研究弹流润滑(EHL)转子-滚动轴承系统在碰摩-不对中耦合故障状态下的动力学响应.基于EHL理论与Hertz弹性接触理论,并考虑转静碰摩故障与转子不对中故障,建立耦合故障作用下转子-滚动轴承系统非线性动力学微分方程,通过龙格库塔数值解法进行求解得到故障状态下系统振动响应,对比分析其结果并在航空发动机转子实验台进行验证.研究结果表明:①考虑EHL理论对单一碰摩故障系统的影响较大.考虑EHL理论的系统进入拟周期运动与周期2运动状态时的转速较未考虑EHL理论系统明显提高,周期2解所处的转速区间较未考虑EHL理论系统大.②考虑EHL理论对碰摩-不对中耦合故障系统的影响较大.考虑EHL理论的系统由周期1解进入拟周期运动,且进入拟周期状态时的转速较未考虑EHL理论的系统明显提高.③通过计算结果与实验结果进行对比分析,可发现考虑EHL理论的耦合故障系统的转子在1/2倍频与2倍频处的振动响应均弱于未考虑EHL理论的系统,考虑EHL理论的模型比未考虑EHL理论的模型能更准确体现耦合故障系统的振动响应.     

多盘悬臂转子系统支座松动故障研究

针对工程中出现的支座松动故障,建立了多盘悬臂转子的松动有限元模型,对单支座和双支座松动故障进行动力学特性研究.结果表明:在两种情况下,随着松动刚度的降低,其运动形式基本一致,均经历了周期1、周期2、周期6和周期4运动;但轴心轨迹差别很大,对于单支座松动,轴心运动开始为一个上下差别很大的"8"字形,接着变为两个嵌套的"8"字形,最后变为"螺旋"状,而双支座松动开始轴心轨迹近似为三角形,接着变为两个"8"字形,最后也变为"螺旋"状.得出的结论为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考.     

基于阶比分析技术的燃气发生器转子支承松动

振动特征分析是燃气发生器健康监测与故障诊断的重要手段,其中非平稳信号阶比分析技术是机械振动特征分析的重要方法。针对某型双转子燃气发生器变速工况下发生的转子支承松动故障,在分析该故障振动机理的基础上,介绍了阶比分析技术与发生器整机振动测试系统,通过实例分析进行了故障诊断,找到了故障发生的原因,验证了方法的有效性和可靠性     

双盘悬臂转子的不平衡-定点碰摩耦合故障研究

以双盘悬臂转子系统为研究对象,建立了含不平衡-定点碰摩耦合故障的动力学模型.在耦合模型中,定点碰摩的碰摩力采用非线性滞回力模型来表征.在数值仿真过程中,采用线性插值法确定碰摩发生瞬时.利用数值仿真的结果分析机匣凸点材料的软、硬特性,凸点的凸出程度对转子碰摩响应的影响.结果表明:当凸点的材料较硬时,转子系统在较低的转速便会产生拟周期运动;对于较为尖锐的凸点,系统响应会表现出周期、拟周期等丰富的非线性动力学现象;转/静子间隙过小时,系统将在较宽的转速区间内产生复杂的非线性振动.      

支承松动的转子系统动力学模型及其故障诊断方法

针对滚动轴承转子系统支承松动故障 ,考虑了松动间隙的非线性情况 ,以转子动力学、Hertz接触理论和非线性动力学理论为基础 ,建立了转子系统的动力学模型。对转子系统动力学方程在松动故障和无故障情况下分别进行数值积分 ,得到两种情况下轴承座 (有故障时为松动端 )上的振动仿真信号。利用频谱和小波变换对所获振动信号进行了处理 ,并将结果进行了分析 ,得出小波变换不但能很好地诊断滚动轴承—转子系统的支承松动故障 ,而且比 Fourier变换在更低转速下诊断出转子系统的支承松动故障     

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(Varying compliance VC)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.     

转子支承不对中故障建模与机理分析

针对工程实际所出现的不对中现象，建立了一个转子支承不对中故障的通用模型。将任意形式的联轴器在径向刚度和 角向刚度等效的前提下简化为1个等效模型，该模型与实际的总体径向刚度和角向刚度等效，依据实际联轴器刚度计算得到等效 模型参数；根据等效联轴器模型推导出转子系统由于连接对角向位置的不均匀、连接刚度的差异性和非线性等不确定性因素所产 生的不对中激励力，基于此建立含转子支承不对中故障的转子-支承耦合动力学模型。通过故障仿真分析得到转子支承不对中故 障激励下的振动特征，通过数值仿真验证了平行不对中和角度不对中故障的2倍频和4倍频现象，以及由于角度不对中产生的1 倍频轴向振动现象。利用含套齿联轴器的3支点转子故障模拟试验器进行了特征转速下多种不对中工况的振动响应试验，通过 比较仿真结果的精度达到85%以上，表明所提出的转子支承不对中故障通用模型的正确有效性。