航空发动机转子非稳态振动分量提取方法

对发动机转子振动状态进行监测是提高发动机可靠性的重要方法之一。然而在实际运行与振动监测过程中发现,发动机转速变化快且转子振动分量微弱,其转子谐频振动分量难以实时跟踪提取。为解决这一问题,提出了基于稀疏谐波乘积谱及自适应Vold-Kalman滤波的航空发动机转子振动分量提取方法。首先,分析了发动机机匣信号特性,通过机匣信号中叶片通过频率与转频的谐波关系,结合谐波乘积谱的思路,提出了一种快速计算发动机转频的方法,该方法无需准确的键相信息。其次,使用变步长迭代的方法最小化阶次谱残余误差,确定Vold-Kalman滤波器的最佳滤波参数,从而实现发动机转子谐频振动分量的准确提取。通过仿真数据验证了本方法在较大的噪声下仍能够很好地提取出机匣信号中微弱的转子振动分量,并与多种经典信号分解方法进行了对比。最后,对实际发动机信号进一步分析,针对发动机启停、加减速状态2种典型非稳态工况进行了计算并验证,证明了所提方法的优越性。     

基于叶尖定时的转子叶片轴向位移辨识方法

叶尖定时技术在透平机械叶片振动的监测与诊断中广泛应用,取得了较好的效果。然而叶尖定时法的测量结果为叶尖位移在旋转方向上的分量,叶片轴向位移导致的叶尖定时测点位置变化会引入旋转方向上的位移分量,需对叶尖定时测量结果进行解耦,从中辨识叶片的轴向位移。依据叶尖定时测量原理,分析了测点位置变化对测量结果的影响关系,提出了基于叶尖定时的叶片轴向位移辨识方法。结合叶片型线方程,建立了融合叶片轴向位移的叶尖定时采样模型,仿真验证了所提方法的有效性。然后利用轴向位移可调式航空发动机压气机叶片实验台实测的叶尖定时信号进行验证,将转子叶片轴向位移辨识值与真实值进行对比,验证了本文所提方法的准确性。对叶片运行状态的全面准确评估以及转子-叶片轴位移故障诊断具有重要的工程应用价值。     

对转压气机叶尖间隙效应对其性能影响的研究

为了进一步了解对转压气机中不同转子叶尖间隙改变对其性能的影响,以对转压气机为对象,基于数值方法研究了该压气机不同转子对应的叶尖间隙效应及其性能的变化。结果表明:随着叶尖间隙的增加,压气机总压比和效率均有所下降;两排转子的峰值效率敏感度曲线与间隙大小均近似呈线性关系,且转子R2对应的峰值效率和喘振裕度随叶尖间隙的变化较R1更加敏感。该对转压气机存在最佳间隙组合,即转子R1和R2分别取叶尖间隙为1.0τ和0.5τ(τ代表设计间隙),此时的峰值效率和喘振裕度较设计间隙分别提高约0.62%和6.9%;转子叶尖间隙的增加会使得相应转子叶尖泄漏涡的起始位置后移,两排转子中一个转子叶尖间隙变化时会对另一个转子的叶尖流动产生影响,且转子R2叶尖间隙的增加对转子R1的影响更加显著;两排转子叶尖间隙的变化均会影响该对转压气机的最先失速级。     

发动机篦齿-橡胶涂层碰摩转子振动特性实验研究

转静碰摩是航空发动机的多发故障,其引起的转子振动特性受转静碰摩材料的影响。考虑了碰摩机匣的硫化橡胶软涂层,实验研究了发动机增压级封严篦齿与封严机匣之间的渐进式碰摩,分析了转静碰摩过程中的转速、振动位移波形、轴心轨迹和进动特征的变化规律。结果表明：封严篦齿与橡胶涂层机匣的碰摩可分为四个阶段,转子转速经过了掉转-超加速-波动恢复-过减速的过程,振动位移波形在转速掉转阶段变化最明显,轴心轨迹呈现稳定-不稳定-稳定的变化规律,篦齿-橡胶软碰摩激起了转静子局部共振,表现为正反进动的高阶超次谐频,碰摩同时引起了对正反进动基频和低阶倍频的频率调制,增压级转静碰摩对涡轮端振动的影响相对较弱。     

转子动静碰摩故障试验研究

为了研究转子碰摩时非线性动力学行为,设计了一种可以模拟单点、多点、局部、整周碰摩的转子碰摩实验装置,并且在ZT-3型多功能转子试验器上进行了碰摩故障试验研究,通过改变转子转速和转静件间隙来观察碰摩转子在不同条件下的振动情况,同时运用波形图、频谱图、轴心轨迹分析了转子系统碰摩时的非线性响应。试验结果表明,本文设计的碰摩装...     

高反力度涡轮转子叶尖间隙对涡轮性能的影响

采用中温模拟级性能试验器,试验研究了高反力度涡轮转子叶尖间隙对涡轮级性能的影响,获得了转子叶尖间隙对涡轮级性能的影响规律。通过对试验方案进行数值计算分析,并与试验结果进行对比,验证了数值计算分析方法的合理性。研究结果表明,当涡轮级反力度较高时,随着相对叶尖间隙的减小,其对涡轮性能的影响越来越明显;转子叶尖间隙变化对导向器喉部流通能力也会产生一定影响。     

双转子系统轴承座松动的动力学模型及故障特性

针对双转子系统轴承座松动故障,基于实验台双转子结构,考虑松动轴承座的3自由度平面刚体运动,引入碰撞恢复系数,建立双转子系统轴承座松动的动力学模型.基于Timoshenko梁单元,利用有限元和刚体运动学方法,采用Newmark-β算法进行数值仿真,对轴承座松动故障时内、外转子运动的动力学特性进行了研究.同时,进行了两种不同转速组合下双转子系统的松动实验,结果基本相同.将仿真结果与实验结果对比分析,结果表明:轴承座松动故障时,松动转子振动位移波形有“削波”现象,内、外转子振动位移频谱不但含有两转子基频的差频与和频,还包含支承松动转子的2倍频,3倍频等分量;低频段谱线较多,含有分频成分等;转子位移频谱中还含有较少的组合频率成分等.轴承座单侧松动时,松动转子的轴心轨迹呈拉伸的类椭圆状.     

基于SSD-HT时频阶比跟踪的变转速转子故障诊断

为解决变转速工况下转子故障特征难以提取的问题,提出一种基于SSD-HT时频阶比跟踪的转子故障诊断方法。应用一种新的信号分解方法—奇异谱分解对转子故障振动信号进行分解,得到包含故障特征信息的奇异谱分量。运用希尔伯特变换计算各个有效奇异谱分量的瞬时频率,获取故障信号的时频分布。根据时频分布中的转频信息对原始振动信号进行阶比跟踪分析,提取直观的阶次特征。仿真分析与实验分析结果表明,在无转速测量装置条件下,所述方法可准确判别变转速工况的转子故障模式,相对于传统分析方法表现出一定的先进性。     

机动飞行下的涡轮叶尖间隙动态变化规律

在对涡轮叶尖间隙的变化机理进行初步分析的基础上,建立机匣、叶片和转子的简化模型,并重点研究了转子在飞行器机动飞行情况下的振动幅值对叶尖间隙的影响.结果表明:高压涡轮叶尖间隙动态变化范围约为0.44mm到1.45mm,同时飞行器均加速导致的转子振动会引起间隙局部增大或减小,俯仰机动和水平盘旋机动飞行都会使得间隙动态变化的非线性明显增强.      

风车不平衡模拟碰摩实验台动力学特性研究

针对民用大涵道比涡扇发动机风车不平衡振动问题,搭建了转子-轴承-机匣系统风车不平衡模拟碰摩实验台,建立了转子实验台的简化有限元模型,并通过实验测得临界转速验证了模型的有效性。碰摩实验前,数值仿真分析了风车不平衡状态下不同碰摩刚度和碰摩间隙对转静碰摩系统动力学响应的影响,对碰摩实验结果进行了预估判断。结果表明:在低转速大不平衡量的风车不平衡模拟条件下,碰摩刚度的变化会激发n/2(n=1,5,7)倍频及4倍频的转频分量;碰摩间隙的变化除激发n/2(n=1,5)倍频的转频分量外,也会激发n/5(n=3,11,13,21)倍频的转频分量。     

Non-synchronous blade vibration analysis of a transonic fan

This study numerically investigates the aeromechanic behavior of a transonic fan model with a flat tip-leading-edge on the NASA rotor 67 test case. Single-passage unsteady calculations at a near stall operating point of 82% design speed show that the dominant frequencies of mass flow were not the harmonics of the rotor rotational frequency. A full-annulus fluid–structure interaction analysis was subsequently carried out to examine the unsteady flows and their interactions with blade vibrations. The results show that the modal displacement of the backward traveling seventh nodal diameter of the second torsion mode grew exponentially, which reveals that the blade vibration was non-synchronous. The vibration pattern indicates that the aerodynamic mode was resonant with the structural vibration mode. Around the rotor tip, the circumferential vortical propagation induced by interactions among the main flow, tip leakage flow, and tip clearance vortex was the source of aerodynamic excitation. To clarify the mechanism of the non-synchronous vibration, the coupling between aerodynamic disturbance and structural response, i.e., aliasing, was summarized. The frequency spectra of the fluctuating pressure show that an aerodynamic Backward Traveling Wave (BTW) was co-aliased to a structural BTW due to the propagation of the circumferential vortex. The correlation between the frequency and free convective speed of the aerodynamic disturbance determined the directions of aliasing.     

基于统计特征的航空发动机风扇外物撞击检测

为了检测识别航空发动机工作过程中的风扇外物撞击事件,采用非接触叶尖振动测量系统对风扇叶片叶尖振动位移进行实时采集与检测。通过风扇叶片非接触叶尖振动位移数据统计分析,发现叶尖振动位移服从正态分布,并采用Epps-Pulley假设检验证明。设计了基于统计特征的风扇叶片外物撞击叶尖振动位移检测算法,采用该方法获取了风扇转子不同转速下外物撞击叶尖振动位移检测阈值。对风扇转子转速为3000r/min状态下,直径16mm、质量为2.9g的外物弹体撞击风扇叶片的振动位移数据进行分析,并采用高速摄像系统对该方法识别结果的可靠性进行验证。结果表明:基于统计特征的发动机风扇外物撞击检测方法,能够准确识别外物撞击风扇叶片事件及发生撞击的叶片编号。     

基于故障树分析法的压气机振动故障分析

为了研究某型压气机在部件试验过程中发生的振动异常故障,基于Isograph的故障树分析法,对33项底事件主要从流体激振、机械激振和测试系统复查等3方面进行定性分析。结合试验中的气动数据和监测数据,利用排除法(设计排查和实物排查)逐级确定各底事件的不可用度大小,选取其中不可用度最高的底事件再进行详细分析,确定了故障原因:有3片压气机第1级转子叶片的叶尖与对应的机匣发生偏摩,其转子不平衡量发生了较大变化。通过采取对磨损的叶尖部位进行抛修,重新对压气机转子进行动平衡的方法排除了该故障,使试验顺利开展。     

暖机对涡扇发动机加速过程中压气机叶尖间隙影响分析

为了研究涡扇发动机暖机程序是否合理,分析了暖机与不暖机对发动机加速过程中压气机叶尖间隙变化造成的影响,并进行了两种情况下变化规律的对比分析。建立了转子模型,在综合考虑转子离心载荷与温度载荷基础上,运用该发动机暖机与不暖机情况下台架测试数据绘制载荷谱,并基于Workbench平台采用热—固耦合分析方法对加速过程中发动机转子径向位移进行仿真计算。根据转子径向间隙计算模型,利用仿真结果计算获得暖机与不暖机情况下的叶尖间隙。结果表明,充分暖机后的压气机叶尖间隙值明显小于不暖机情况下的间隙值,相对原始装配间隙,两者在慢车状态时相差19.86%,在最大加力状态相差8.04%,且加速过程中叶尖间隙变化规律均为随时间增加而不断减小,在慢车至中间状态过程中迅速减小,在加力过程中缓慢减小。     

基于压缩感知的叶端定时信号参数辨识方法

叶端定时技术作为一种非接触式测量手段,在实际应用中的主要问题之一是测量信号欠采样。压缩感知方法是解决信号欠采样问题的有效手段,但由于求解过程中引入了正则化项,在提高稀疏度时,降低了幅值重构精度,而转子叶片振动幅值参数的准确辨识对于叶片动应力重构具有重要意义。将叶片振动方程设计矩阵与压缩感知字典相结合,在不依赖先验信息的条件下对叶片振动参数进行辨识。首先,根据振动方程设计矩阵形式及关注的最大振动频率,构造压缩感知字典;其次,通过叶端定时信号稀疏表示中的非零元素所在位置,从压缩感知字典中提取对应原子构成设计矩阵进而求得振动参数;接着,叶端定时（BTT）模拟仿真结果表明,所提方法可有效辨识叶片单模态、多模态振动参数;最后,开展旋转叶片振动测试试验,同时利用应变片和叶端定时系统采集振动信号,结果表明,与应变片测量结果相比,提出的方法振动频率辨识相对误差仅为0.14%;对比4个叶片的位移-应变传递比,其中偏离均值的最大百分比仅为2.15%。     

非接触转子振动位移采集系统测试误差

对基于叶尖定时测量原理开发的非接触转子振动位移采集系统(NRDMS)测试误差进行了研究分析。将模拟叶片振动标准信号作为采集系统测试的输入信号,研究了测试对象参数和采集系统时基信号对测试结果误差的影响,理论和测试结果分析表明:测试误差主要受采集系统时基信号和转速的影响,采集系统的最大引用误差为0.066%。      

压气机内部噪声特征与转子叶片声固耦合机理分析

航空发动机压气机转子叶片故障多由机械激励和气动激励造成，而高强声波对转子叶片的激振因素不容忽视。通过开展某型涡扇发动机压气机内部噪声测试试验，研究压气机转子叶片振动机理及其与噪声信号的对应关系。阐述了压气机内部旋转不稳定性非定常压力波作用机制，提出了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法，完成了某型涡扇发动机压气机内部噪声信号测试，对噪声信号进行了频谱分析和声传播特性分析。研究结果表明，某型涡扇发动机压气机内部噪声信号频谱呈现高峰值纯音分量1 402 Hz，并且该纯音分量与转子叶片通过频率呈现特定的频率组合关系。该纯音分量的噪声源在压气机内部沿发动机顺航向方向从后向前传播。利用旋转不稳定性理论，将声源频率在不同坐标系下进行转换，当噪声源周向模态数为13时，该纯音分量可调制出与高压一级转子叶片一阶振动频率相对应的激振频率。     

轴向间隙对高速双涡轮转子稳定性的试验

通过轴向间隙静态试验判断轴承供气压力不同时的轴向间隙，采用时间三维谱图、轴心轨迹、频谱分析等非线性振动测试及分析方法，研究了轴向间隙对高速涡轮转子稳定性的影响.结果表明:当左右两侧轴向间隙不相等时，在升速过程中会出现气膜振荡和半速涡动现象；当左右两侧轴向间隙相等时，气膜振荡和半速涡动消失，能提高轴承转子系统的稳定性.      

叶尖间隙对跨声速压气机叶片气动阻尼的影响

为了分析叶尖间隙对压气机气动阻尼的影响,基于相位延迟边界条件,建立了跨声速转子的气动阻尼计算模型,研究叶尖间隙对其流场及气动阻尼的影响。计算该转子在设计间隙条件下的气动性能、叶片模态以及颤振边界,和实验数据吻合较好,比较不同叶尖间隙(1.6%,3.2%,5.0%叶尖弦长)的转子气动性能,发现间隙增加使转子效率和压比均有显著的下降;对叶片表面非定常压力研究表明,叶片非定常压力对叶片振动的响应具有强三维特性,同时叶片间相位角(IBPA)和叶尖间隙流对其有显著的影响,由于叶尖间隙增加使叶尖流动的影响加强,导致叶尖区域由于振动造成的一阶谐波压力幅值相对减小,大间隙趋于恶化压力面的稳定性而对吸力面的影响在不同的叶片间相位角时不同;对于气动阻尼,在不同的叶片间相位角区域,叶尖间隙对其影响有显著的差异,甚至会产生截然相反的规律,特别是在设计状态,对于该转子,大间隙提高了叶片最不稳定状态的气动阻尼。