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.     

直升机后缘襟翼驱动器迟滞现象仿真与抑制

直升机后缘襟翼多采用压电驱动器作为驱动元件，但是在使用过程中压电驱动器迟滞会对其振动控制性能产生不利影响，因此针对压电驱动器迟滞开展了迟滞建模与抑制研究。通过实验研究了压电驱动器在不同驱动频率下的迟滞特性，采用Bouc-Wen模型对驱动器迟滞现象进行了建模，并采用粒子群算法（PSO）辨识模型参数，与实际测量迟滞曲线进行了对比，在10~60 Hz范围内所建立的迟滞模型能够较为精确地描述压电驱动器迟滞现象。建立了基于Bouc-Wen逆模型的前馈补偿控制与PID反馈控制相结合的复合控制策略，实验结果显示该控制策略能够在10~60 Hz较宽的频率范围内有效抑制该压电驱动器迟滞现象。建立了考虑驱动器迟滞的主动控制后缘襟翼振动控制动力学模型，并对中等速度稳态前飞条件下后缘襟翼振动控制性能进行了仿真，仿真结果显示驱动器迟滞会在一定程度上削弱振动控制性能，而采用复合控制可以提高后缘襟翼旋翼振动控制性能。     

A novel control method for turboshaft engine with variable rotor speed based on the Ngdot estimator through LQG/LTR and rotor predicted torque feedforward

In order to compensate for the disturbance of wide variation in rotor demanded torque on power turbine speed and realize the fast response control of turboshaft engine during variable rotor speed, a cascade PID control method based on the acceleration estimator of gas turbine speed (Ngdot) and rotor predicted torque feedforward is proposed. Firstly, a two-speed Dual Clutch Transmission (DCT) model is applied in the integrated rotor/turboshaft engine system to achieve variable rotor speed. Then, an online estimation method of Ngdot based on the Linear Quadratic Gaussian with Loop Transfer Recovery (LQG/LTR) is proposed for power turbine speed cascade control. Finally, according to the cascade PID controller based on Ngdot estimator, a rotor demanded torque predicted method based on the Min-batch Gradient Descent-Neural Network (MGD-NN) is put forward to compromise the influence of rotor torque interference. The simulation results show that compared with cascade PID controller based on Ngdot estimator and the one combined with collective pitch feedforward control, the novel control method proposed can reduce the overshoot of power turbine speed by more than 20%, which possesses faster response, superior dynamic effect and satisfactory robustness performance. The control method proposed can realize the fast response control of turboshaft engine with variable rotor speed better.     

航空发动机低压转子系统的“可容模态”设计及实验验证

建立了带弹性支承和阻尼器的航空发动机低压柔性转子动力学模型,进行了模态计算以及临界转速处的响应计算。在考虑临界转速约束与“临界跟随”现象约束的条件下,综合模态不平衡影响因子、弹支应变能占比以及套齿连接结构稳定性构造了可容度评价函数,建立了低压转子系统的“可容模态”优化设计方法。设计并搭建了低压转子实验系统,从模态测试实验、阻尼器减振实验以及长时间“共振”实验,验证了设计方法的可靠性。研究结果为计算的临界转速与实际测量的临界转速最大误差为3.86%,阻尼器在1阶与2阶临界转速处的减振比最大可达45.6%,实验转子系统在1阶与2阶临界转速处各完成了长达412.5 s和429.8 s的“共振”实验,共振过程中转子系统各通道振动单峰值稳定在100μm以内,且无次谐波产生。表明了所建立的航空发动机低压转子系统“可容模态”优化设计方法是可行的。     

面向全疆域设计需求的某涡轴发动机核心机转子减重优化

为满足某涡轴发动机平原、高原、高寒以及海洋环境下的全疆域设计需求,综合采用尺寸优化和拓扑优化对核心机转子盘体形状进行了减重优化。首先提出了一种基于本征正交分解的径向基神经网络代理模型构造方法,通过在关键区域补充采样,在样本总数相当的前提下,提高了寻优效率,缩短了优化所需的时间。利用该方法对核心机转子盘体尺寸进行优化,优化后结构重量减轻,应力分布和强度储备更趋合理。然后采用变密度法对涡轮盘螺栓孔附近区域进行拓扑优化,得到一种带凸耳形状的螺栓孔创新构型,解决了由于优化后盘体减薄而导致的螺栓孔应力上升过多的问题。结果表明：在转子强度、寿命满足规范要求的前提下,优化后的核心机转子减重15%,满足了全疆域设计需求对转子重量的要求。     

一种直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法

为实现直升机/涡轴发动机的最经济运行,开展了直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法研究。首先,建立简化的直升机需求功率性能计算模型与涡轴发动机性能计算模型,共同构成直升机/发动机综合系统性能计算模型;其次,围绕通过可变动力涡轮转速实现变旋翼转速方式,分别以最小直升机需求功率优化与最低发动机燃油流量为优化目标,进行最经济旋翼转速离线优化,并对比分析两种优化模式对直升机/发动机系统综合性能的影响,揭示不同工况对最经济旋翼转速的影响规律。结果表明：变动力涡轮转速下,优化直升机需求功率未必等同于优化直升机/发动机的总体性能,而桨叶固有的失速与压缩特性,会限制进一步实现直升机最经济运行的能力。此外,采用变动力涡轮转速实现变旋翼转速,几乎不影响压气机与燃气涡轮的工作线,沿着相同的工作线运行可获得更经济的直升机/发动机综合性能。     

考虑流固耦合效应的航空发动机风扇叶片应力数值模拟与试验测量研究

航空发动机风扇转子在高压比、高转速、高负荷的级环境中工作时,存在叶片固体域与流体域之间强烈的耦合作用。针对风扇工作中的流固耦合问题,采用基于流固耦合的数值模拟方法对风扇叶片的结构特性进行模拟,研究考虑流固耦合效应前后叶片结构特性的变化。通过风扇转子加减速试验测量叶片表面测点应力变化,并将数值模拟与试验测量结果进行了对比分析。分析结果表明：考虑流固耦合效应后叶片表面的受力情况变化较大,导致叶片表面的应力与变形分布产生较大的变化;仅考虑离心力作用的计算方法得到的应力值与试验测量值误差最大达到50%,而考虑流固耦合效应的计算值误差在10%左右;考虑叶片流固耦合效应得到的应力分布更满足实际工程应力与强度分析要求。     

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

微尘沉积形貌对冲击气膜冷却结构换热特性影响的数值研究

带有微尘的空气进入航空发动机,极易在涡轮叶片内冷通道发生沉积。为探究微尘沉积形貌对涡轮叶片内冷通道换热特性的影响,选取冲击气膜冷却结构,基于微尘沉积实验结果,构造微尘沉积形貌,由锥状突起和环状突起组成,通过数值模拟获得不同射流雷诺数下冲击靶面努塞尔数Nu。研究结果表明,冲击靶面微尘沉积层的出现,将大幅降低浸润面积平均努塞尔数Nuwetted,而对映射面积平均努塞尔数Nuavg影响较小;冲击驻点周围的高换热区范围减少;相邻冲击孔中点附近的高换热区努塞尔数Nu增大;此外,射流雷诺数的增大整体上提高了冲击靶面的换热强度。由于锥状突起和环状突起的扰动作用, 壁面附近回流涡增多, 使得冲击靶面大部分区域温度边界层厚度增加,因此换热性能降低。     

机匣沟槽对微型轴流涡轮叶尖泄漏流动的影响

本文通过对某微型涡喷发动机的单级轴流式涡轮进行机匣设计,采用剪切应力输运(SST)模型求解定常黏性雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了不同机匣沟槽结构对其叶尖泄漏流动的影响。计算结果说明：当全机匣沟槽结构的叶顶浸入沟槽即d/c＞1.0时,封严效果较好;相较于全机匣沟槽结构,后开式机匣沟槽结构的封严效果更好, 随着沟槽前缘间隙的增大,封严效果减弱;沟槽深度a/c=1时,封严效果最佳,即泄漏流明显减弱,同时效率减小量较小。