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.      

同转/对转双转子系统的动力学特性

建立了双转子动力学模型,引入中介轴承刚度和高、低压转子陀螺力矩的影响,利用数值分析和实验验证,揭示了同转/对转双转子系统临界转速特性和不平衡响应存在的差异,以及转速比对同转/对转双转子临界转速特性和不平衡响应的影响.结果表明:陀螺力矩是影响带有中介支承的双转子系统转子刚度的主要原因,其刚度变化与内、外转子的转速比大小和相对旋转方向有关,进而导致同转/对转双转子系统临界转速特性和不平衡响应发生改变;相比同结构的同转双转子,在相同的不平衡量作用下,对转双转子的不平衡响应更为显著.对转双转子进行动平衡时,应更加严格的控制内、外转子的不平衡量.      

转子不平衡量对角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性的影响

建立了高速角接触球轴承-刚性转子系统完全动力学数值仿真模型。以某仪表轴承支承的转子系统为例,分析了转子不平衡量对转子振动响应、轴承内部载荷分布以及保持架质心运动轨迹、频域幅值变化及其磨损的影响。结果表明:无转子不平衡量时,转轴振动仅包含保持架频率,而转子不平衡时,转轴振动除保持架频率,还包含内圈频率及其倍频。随着转子不平衡量的增大,内圈频率对应的转轴振动幅值逐渐增大,而保持架频率对应的转轴振动幅值先减小后增大。球与内外圈接触载荷波动随着转子不平衡量的增大而增大,且载荷包含了保持架频率与内圈频率的多种耦合频率。转子不平衡量越大,保持架质心运动越不稳定,而保持架磨损率反而逐渐降低。保持架质心运动除保持架频率外,还包含保持架频率与内圈频率的耦合频率,说明保持架运动受转子振动的影响。      

航空发动机转子静、偶不平衡量控制方法研究

针对航空发动机转子静、偶不平衡量控制方法开展研究,基于坐标变换原理,以转子不同心度满足设计要求为约束条件,以转子静、偶不平衡量线性加权和最小为优化目标,提出了一种转子不同心度与不平衡量的计算方法,应用该方法对某型发动机的风扇转子进行了分析,表明该工艺方法能够明显改善转子不平衡量,达到控制转子静、偶不平衡量的目的。     

轴颈倾斜微型气体轴承的热流体动力润滑分析

基于能量守恒原理推导计入气体稀薄效应的修正能量方程及其有限差分表达式,并通过偏导数法和有限差分法联立求解修正Reynolds方程、修正能量方程、气体黏温关系和气膜厚度方程,详细研究了微型气体轴承静动态性能随结构参数、轴颈倾斜方位角和黏温热效应的变化规律。结果表明:气膜热效应提高了微型气体轴承的承载能力、摩擦因数和动态刚度系数,而降低了直接阻尼系数,轴颈倾斜误差对微型气体轴承的静、动态性能均产生不利影响,计算结果可为提高微型气体动压轴承?转子系统的稳定性提供重要理论依据。      

微型涡喷发动机转子系统设计

以某微型涡喷发动机为研究对象,研究并实践了微型涡喷发动机转子系统设计过程与方法.首先,介绍了发动机及转子系统结构,综述了转子系统设计原则.并从轴承选用、转子动力学特性、振动控制技术、转子动平衡和轴承失效形式等方面重点分析了转子系统的设计过程.课题研究内容为进一步提高国内微型涡喷发动机设计水平提供经验依据.      

叶片脱落诱发的转子- 盘片系统不平衡响应分析

为了厘清叶片脱落诱发的失衡载荷及瞬时冲击对航空发动机转子系统动特性的影响,以转子- 盘片系统为研究对象, 考虑弹性支承的影响,基于ANSYS/LS-DYNA 软件建立系统的有限元模型,模拟叶片脱落对转子- 盘片系统振动响应的影响,分析转 子转速、不平衡量、盘偏置量及支承刚度对系统不平衡振动响应的影响规律。结果表明：轴承支承总反力的变化趋势与系统不平衡 量的变化趋势相同;盘片结构越靠近轴承支承端,轴承支承总反力越小;刚性支承（≥107 N/m）下轴承支承总反力较柔性支承（<107 N/m）下的偏大。该研究可为转子- 盘片系统的结构设计提供参考。     

机动飞行环境下双转子系统主共振特性分析

以双转子系统为研究对象，综合考虑高低压转子双频不平衡激励、中介轴承间隙以及机动载荷，通过Lagrange方程，建立了水平盘旋机动飞行环境下双转子系统动力学模型，研究了双转子系统的主共振特性，分析了水平盘旋机动载荷对双转子系统主共振特性的影响规律，探讨了机动飞行环境下中介轴承间隙对双转子系统主共振特性的影响规律。研究结果表明，双转子系统存在振动突跳和双稳态等典型的非线性动力学行为，水平盘旋机动载荷增大会对双转子系统产生“刚度增强效应”,中介轴承间隙增大会对双转子系统产生“刚度弱化效应”。     

厘米级微型发动机转子系统分析

重点讨论了厘米级微型发动机转子系统的结构与动力特性,总结了微型涡轮发动机轴系和动力学设计的一般规律和特点,指出了微型发动机转子结构与动力特性研究的方向。     

超微型高速空气轴承的动态特性

对微型转子（半径为1985mm）动态特性进行了数值模拟和实验研究。在数值模拟中,利用ANSYS对空气轴承 微转子系统进行了双向瞬态流固耦合研究；模拟了启动阶段转子在空气轴承调节下的运动过程。结果表明:转子的动态过程为一运动幅度逐渐减小的振荡过程,最后将稳定于某一平衡位置；在轴承供压越大时,转子运动幅度越大,且达到稳定所需时间更长。计算结果发现了轴承间隙宽度与轴承流量的正相关关系。在对应实验中,实验结果与模拟结果很好的相符。由数值模拟和实验研究,说明了在较大止推轴承供压下由于转子轴向运动幅度大,有更大发生碰撞的风险；而在70927Pa的供压下进行启动则更为合适。      

直升机旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响

悬停和侧滑状态的直升机主旋翼桨尖涡将穿透尾桨桨尖平面,由此导致尾桨非定常气动载荷发生明显变化。为更准确地模拟由主旋翼/尾桨干扰产生的尾桨非定常气动载荷变化,通过在面元压力项中增加由旋翼桨尖涡诱导的时变项,体现旋翼桨尖涡速度和几何时变对桨叶非定常压力的影响,同时采用涡面镜像法修正涡粒子法的黏性项,确保桨叶附近区域旋翼涡量守恒,建立旋翼尾迹对尾桨叶的非定常气动干扰模型,并耦合面元/黏性涡粒子法,构建直升机主旋翼/尾桨干扰下的尾桨非定常气动载荷分析方法。通过计算AH-1G旋翼桨叶非定常气动载荷特性,并与实验测量值、计算流体力学(CFD)计算结果对比,验证本文非定常气动干扰模型的有效性。随后基于NASA ROBIN(Rotor Body Interaction)模型分析悬停、侧风和60°右侧滑状态主旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响,分析表明主旋翼尾迹对尾桨非定常气动载荷影响显著。悬停状态的主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力平均值下降、非定常气动载荷显著增加;左侧风状态,主旋翼/尾桨干扰削弱尾桨"涡环"程度,显著增加尾桨拉力和非定常气动载荷;60°右侧滑状态,主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力损失最大,且在低速侧滑状态出现尾桨拉力"迅速恢复"现象,尾桨非定常气动载荷幅值迅速增加。     

旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算研究

针对旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算问题,将CFD方法与Farassat 1A(F1A)公式相结合,提出了一种适用于旋翼干扰下的尾桨气动噪声数值计算方法。首先,应用所提出的方法进行了噪声的算例验证,并与参考文献结果进行了对比;然后,着重针对悬停和前飞状态旋翼干扰下的尾桨噪声及气动特性进行了计算分析,并与孤立尾桨状态进行了对比。计算分析结果表明:悬停状态下,旋翼干扰下的尾桨气动噪声水平显著大于孤立尾桨;而在前飞状态,由于旋翼尾迹对尾桨桨盘平面产生更强的气动干扰,这一现象会更加明显;同时,在旋翼干扰作用下,尾桨噪声的主传播方向也会发生明显变化。     

带气膜阻尼环的转子系统动力特性试验

提出一种具有金属橡胶弹性外环的气膜阻尼环(AFD)作为转子系统的辅助支承阻尼元件.建立AFD的力学模型,解释其工作机理.建立带AFD转子系统的试验台和测控系统,对比无AFD转子系统的动力特性,验证AFD的辅助支承阻尼性能.通过对AFD振动位移和相位的测量,说明气膜环在转子运转过程中的跟踪振动响应过程.通过对比气膜环和转子轴颈在转子系统运转过程中的相位差,验证AFD的工作机理和阻尼减振性能.最后研究初始气膜间隙对AFD性能的影响.研究结果表明:由于AFD具有可动金属橡胶环,气膜环能够跟随转子轴颈的振动量,自动调整偏心振动量和相位,具有自适应特性.在金属橡胶和气膜的刚度和阻尼作用下,AFD作为转子系统的辅助支承阻尼元件,为转子系统提供附加支承刚度和有效阻尼,起到限幅减振的作用.而初始气膜间隙越小,辅助支承阻尼作用的效果越明显.      

旋翼几何参数对共轴双旋翼悬停性能的影响

为研究旋翼几何参数对共轴双旋翼悬停性能的影响,建立了基于自由尾迹法和2阶升力线法的共轴双旋翼气动模型,分别计算和分析了共轴双旋翼的旋翼翼型、上下旋翼半径之比、上下旋翼间距、桨叶扭转角以及桨叶尖削比等参数对共轴双旋翼悬停性能的影响,最后基于分析结果综合优化了悬停状态下各旋翼的几何参数.结果表明:旋翼翼型、上下旋翼间距、桨叶扭转角以及桨叶尖削比对共轴双旋翼悬停性能有一定的影响,上下旋翼间距对其影响较小,综合优化旋翼在拉力系数为0.01时与基准旋翼相比,扭矩系数降低10.5%,悬停效率提高9.5%.     

适合机动飞行的旋翼气动模型研究

为改善对旋翼空气动力他轴响应的预测,在旋翼气动模型中引入时变的尾迹弯曲参数K_R,以体现机动旋翼的尾迹畸变效应.与已有方法相比,该模型的计算结果更为接近实验数据.还建立了动态尾迹畸变模型,并分析了计入尾迹收缩效应的必要性.结果表明,为了正确计算机动飞行中的旋翼气动力,特别是操纵的他轴响应,应当在模型中采用随状态变化的尾迹弯曲参数K_R.      

Modern helicopter rotor aerodynamics

The helicopter rotor wake is among the most complex fluid dynamic structures being three dimensional and in many cases unsteady. The wake begins at the blade(s) where the flow can be transonic near the blade tip and undergo compressible dynamic stall. Farther down in the wake, the flow is essentially incompressible. Moreover, the rotor blades undergo complex unsteady motions because of the necessity to balance moments; they are elastic as well. In this paper, the fundamental aeromechanics of the wake and the flow on the blade is discussed and the primary methods of analysis, computation, and experiment employed to uncover the physics of the rotor wake are described.     

旋转机翼飞机旋翼飞行验证平台设计

为了更好地研究旋转机翼飞机旋翼模式下的飞行性能,针对旋转机翼飞机的特点,开展旋转机翼飞机旋翼飞行验证平台的设计,主要包括旋转机翼的结构设计、动力系统设计.通过数值计算的方法,对不同相对厚度椭圆翼型气动特性进行分析研究.建立旋转机翼悬停气动特性的估算方法,地面试验结果和计算结果的对比表明所建立的估算方法是有效的,该方法对今后开展旋转机翼飞机研究具有一定的参考价值和意义.     

Investigation of rotor control system loads

This paper concentrates on the aeroelasticity analysis of rotor blade and rotor control systems. A new multi-body dynamics model is established to predict both rotor pitch link loads and swashplate servo loads. Two helicopter rotors of UH-60A and SA349/2, both operating in two critical flight conditions, high-speed flight and high-thrust flight, are studied. The analysis shows good agreements with the flight test data and the calculation results using CAMRAD II. The mechanisms of rotor control loads are then analyzed in details based on the present predictions and the flight test data. In high-speed conditions, the pitch link loads are dominated by the integral of blade pitching moments, which are generated by cyclic pitch control. In high-thrust conditions, the positive pitching loads in the advancing side are caused by high collective pitch angle, and dynamic stall in the retreating side excites high-frequency responses. The swashplate servo loads are predominated by the rotor pitch link loads, and the inertia of the swashplate has significant effects on high-frequency harmonics of the servo loads.