用有限元素法验证挤压油膜短轴承解的有效性

在现代航空燃气涡轮发动机和地面高速旋转机中,要求精确地分析预计转子支统的承系振动特性。而在支承结构中带有挤压油膜轴承阻尼器的情况下,用什么方法解算油膜压力,其计算精度和速度如何,是影响整个系统特性分析预计的最主要因素之一,也是这一领域里最重要的研究课题。当前,对不带端封的挤压油膜轴承阻尼器,常采用一维短轴承近似解析法计算油膜压力,本文将通过较精确的二维有限元数值解求油膜压力分布,来验证一维短轴承近似解的有效性,并提出短轴承近似解析法所适用的运转条件。     

挤压油膜阻尼器失效问题分析

说明了研究挤压油膜阻尼器(简称SFD)减振失效的意义.首先,介绍了国际上研究SFD的J.W.Lund、E.J.Hahn、R.Holmes、R.A.Cookson和E.J.Gunter等五个学术集团,归纳出他们谈论到的有关挤压油膜阻尼器失效的观点,特别着重指出了挤压油膜阻尼器失效的不正确设计.失效的现象是过不了临界和导致转子支承系统产生双稳态特性.避免失效的方法是:调整油膜间隙与不平衡量间的关系,应用全油膜,限制不平衡量和采用弹性支座.本文的结论是:假如设计参数选择不当,挤压油膜阻尼器不仅不能减振,反而会导致转子支承系统工作不稳定或过不了临界.     

弹性环式挤压油膜阻尼器动力设计方法

弹性环式挤压油膜阻尼器(ERSFD)与传统挤压油膜阻尼器(SFD)相比,在动力特性方面具有一定的特色.以燃气涡轮发动机用ERSFD为对象,基于有限元挤压油膜理论对ERSFD的弹性环支承刚度、油膜压力场分布和油膜阻尼等特性进行了研究.根据ERSFD的结构特点,利用有限元法分析其动力特性不仅具有模型简单、计算量小的优点,而且能考虑到各种复杂的边界条件及封严装置.研究结果表明,本计算方法和结果可以作为ERSFD结构优化的依据.与SFD(Squeeze Film Damper)相比,ERSFD具有分段式油膜间隙,可利用弹性环的弹性变形来调整油膜间隙,将油膜间隙控制在一个合适的范围内,从而有效地避免传统SFD在一定工作条件下的非线性振动现象的发生.      

电液主动控制挤压油膜阻尼器的理论分析

针对旋转机械采用传统的动压轴承构成的挤压油膜阻尼器存在的问题,提出了一种由压电晶体-电液主动控制的动静压混合轴承构成的电液挤压油膜阻尼器(HSFD).对于这种电液挤压油膜阻尼器, 经典的半油膜(π油膜)假设不再成立. 为了求解它的压力分布, 提出了一种适用于含有动静压混合作用时Reynolds方程的求解方法. 在此基础上, 对采用这种电液挤压油膜阻尼器的转子系统进行了理论分析, 从而为实现主动控制奠定了基础.      

挤压油膜阻尼器失效分析方法

着重论述分析挤压油膜阻尼器失效的方法. 首先介绍了国际上主要的航空发动机制造厂家对挤压油膜阻尼器的研究, 那些厂家是General Electric公司、Pratt & Whitney公司和Rolls Royce公司.这不仅有助于我国研制挤压油膜阻尼器的工作,同时也提出一种启示, 研究挤压油膜阻尼器的失效, 应基于综合性参数的选配. 因此,用了轴承参数B和质量偏心率U为基本参数,来说明分析失效的方法.并定义了两种失效的情况,一是转子系统过不了临界转速,二是出现双稳态特性.作出了过不了临界转速的特性图,并带有数据,还提供了3种典型的双稳态特性曲线和产生双稳态特性的数据点.     

双挤压油膜阻尼器的减振机制与效果分析

研究了双挤压油膜阻尼器对转子的稳态不平衡振动以及突加不平衡瞬态振动的控制机制与效果,以一个带双挤压油膜阻尼器的单盘柔性转子为模型,用传递系数法进行计算分析,结果表明阻尼器对转子的瞬态和稳态响应的控制机制与效果是不同的.对于稳态振动,每个阻尼器主要控制使其所在支承产生较大变形的临界转速产生的共振;对于瞬态振动,两支承处同时加阻尼器的效果比只在一个支承处加阻尼器的效果好.     

挤压油膜阻尼器失效的判据

 挤压油膜阻尼器(简称SFD)设计不当,会导致功能失效.对弹支-挤压油膜阻尼器来说,失效有2种形式:一是过不了临界,即转子系统的振幅随转速的上升而一直增大;二是出现双稳态特性.2帧失效判据图已经作出:一是双稳态区域图,只要轴承参数和质量偏心率数组不选在双稳态区域内,便不致产生双稳态特性;二是减振失效边界图,只要前述数据组不在失效边界的一侧,便不致产生过不了临界的现象.经实验证明,上述结论从正反2个方面看都是正确的.实验也进一步确认了挤压油膜阻尼器优越的减振功能.     

航空发动机整机有限元模型转子动力学分析

现代航空发动机在工作中不断变化的机械激振,气动激振频率越来越复杂,这使得对航空发动机振动分析必须考虑各结构间的动力影响.因此,利用能够考虑陀螺力矩影响,基于NASTRAN中实体单元编制的转子动力特性计算程序,对发动机整机进行了动力特性计算.首先对转子支承结构传递函数(动刚度)进行计算,并进一步研究其对转子动力特性的影响;分析比较基于不同单元模型计算时,盘轴耦合振动及盘轴连接处的角刚度对转子动力特性的影响,证明了基于实体单元的整机模型能够准确考虑各种振动模态.最后,在分析中发现了高阶转子弯曲振动模态与机匣振动耦合现象及其变化规律,在计算分析的基础上研究了在考虑机匣振动耦合时转子系统临界转速的确定方法.      

动力涡轮转子结构系统力学特性稳健设计方法

航空涡轴/涡桨发动机动力涡轮转子是典型多支点支承、具有连接界面、质量/刚度分布不均匀的高速柔性转子系统,其连接结构力学特性和支承刚度的分散性可导致转子系统动力特性恶化。针对典型动力涡轮转子结构系统,指出不可恢复滑移、疲劳、摩擦等连接界面接触损伤是连接结构力学特性产生分散性的内在原因,提出了接触状态系数、接触应力、不可恢复变形能和接触摩擦功等工程适用的定量评估参数。通过对多支点柔性转子-支承系统临界转速分布及其对各支点支承刚度敏感度的影响规律分析,提出了基于支承刚度低敏感区择优的动力特性稳健设计方法,所提方法提高了转子结构系统的稳健性。      

自适应挤压油膜阻尼器减振机理理论研究

研究了带金属橡胶环自适应挤压油膜阻尼器ASFD/MRR(Adaptive Squeeze Film Damper with Metal Rubber outer-Ring)的减振机理,以ASFD/MRR和转子轴颈的受力分析和运动分析为基础,从N-S方程、流体连续方程出发,推导了ASFD/MRR的雷诺方程并求解了油膜压力场.对比ASFD/MRR和挤压油膜阻尼器SFD减振机理的特点,指出SFD仅是ASFD/MRR的特殊形式,ASFD/MRR具有抑制双稳态跳跃等非线性振动的能力,适用于更大的不平衡量范围.      

气膜密封阻尼结构的气膜稳态特性分析

针对航空发动机等高速旋转机械的气体动密封和转子系统的振动问题,提出一种新型的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构,其作用是在转静子之间建立气膜用于阻尼和封严,高弹性阻尼材料的外环用于控制气膜的动力特征.基于准静态法建立转子-气膜-金属橡胶外环三者之间的流固耦合关系,采用有限差分法求解气膜压力场,得到表征气膜密封阻尼结构稳态特性的气膜力、泄漏量和摩擦转矩随参数变化的规律.计算结果表明:弹性外环能有效地改善气膜压力场的分布.具有良好稳态性能的结构参数选取范围应结合实际工况确定.在给定的工况条件下,长径比取1.5,密封间隙取0.05mm,柔性系数在2左右为佳.      

适于时变幅值分析的直升机黏弹减摆器模型

针对现有适于宽幅值范围的黏弹减摆器模型一般含有动幅值参量,不便用于幅值变化的直升机旋翼/机体耦合动稳定性时域分析的问题,给出了小摆振阻尼比时,黏弹减摆器在单频及双频条件下动幅值参量的计算方法,运用该方法计算系统在收敛、中性稳定及发散3种情况下的幅值曲线,较好地反映了响应幅值在时域上的变化趋势。将改进的黏弹减摆器模型用于直升机地面共振非线性时域分析,为准确获取旋翼摆振后退型响应,给出了所需桨叶激振力矩的计算方法,在不同转速不同复模量状态下,采用该方法确定的激振力矩对桨叶进行激振激出的响应幅值与预期值误差不超过6%。对摆振后退型响应进行分析可知,系统稳定时,与线性化结果相比,计入黏弹减摆器非线性后,旋翼摆振后退型响应衰减更快,其模态阻尼在时域上呈增加趋势。      

反转轴间气膜密封动特性分析

用有限元法计算了双端面期末密封两端面的气膜刚度和阻尼,分析了密封跑道质量和主密封环质量对气膜刚度和阻尼的影响,并对瞬态扰动力作用下前密封跑道和主密封环的振动过程进行了讨论.结果表明:膜厚对气膜刚度和阻尼影响较大,在膜厚小于5μm下尤为明显;系统的自由振动频率主要由前密封跑道质量决定,主密封环质量对自由振动频率影响较小;同一密封跑道质量对应的不同环道质量比对系统振动的收敛时间影响不大.     

共用支承-转子结构系统振动耦合特性分析

针对带有涡轮级间共用承力框架的转子系统,为准确描述转子-共用支承-转子（简称共用支承-转子结构系统）之间的振动特性,采用转子截面横向和角向振动特性耦合动力学模型,振动耦合产生机理及影响规律进行研究。理论分析结果表明:转子支点的动态响应对其他转子的支点动刚度特性及转子振动响应特性具有一定影响,共用支承结构振动响应对转子系统振动特性的计算误差超过10%,因此,在共用支承-转子结构系统的临界转速和振动响应计算分析中,需要考虑2个转子与共用支承结构的振动耦合影响。对于涡轴发动机共用支承-转子结构系统的有限元仿真计算结果表明:由于存在共用承力框架,2个转子之间将发生振动耦合,系统产生耦合振型,某一转子转速将会影响另一转子所激起的系统共振临界转速;并对共用承力框架结构的隔振特性也有影响,2个转子共同激励下振动响应与转子单独激励相比,在承力框架安装边上的动载荷以及载荷传递系数均大幅度提高。