转子—机匣系统碰摩故障特征试验研究

以转子-机匣模型试验器为对象,试验模拟航空发动机试车过程中所遇到的典型碰摩故障现象,研究分析其碰摩类型及相应的振动特性,总结并建立包括转子、支承、机匣共同影响在内的旋转机械转、静件碰摩故障特征谱。     

基于2种中介轴承的对转双转子系统耦合碰摩动力学模型

以2种不同支承形式的中介轴承双转子结构系统为研究对象,建立了对转双转子系统轴向一径向耦合碰摩有限元动力学模型。基于陀螺效应引起轮盘偏转产生轴向位移,导致轴向碰摩的假设,给出了轴向碰摩力与节点坐标之间的表达式,考虑了不同支承形式的中介轴承耦合力处理方式,并以此为基础详细推导了系统的振动微分方程。模型既能描述转静间的轴向碰摩和径向碰摩,又允许轴向碰摩和径向碰摩独立发生,亦可共同发生。     

含碰摩故障的转子-盘片-机匣系统动力学特性分析

以转子-盘片-机匣耦合系统为研究对象,基于ANSYS有限元软件建立有限元模型,通过实验测试得到的固有频率验证了模型的有效性;采用点点接触来模拟叶片和机匣之间的碰摩故障,并通过测试的响应数据,进一步验证了所采用模型的正确性和可行性.最后,仿真分析了定转速情况下不同侵入量、定侵入量和定间隙下不同转速对系统动力学响应的影响.研究结果表明:叶尖碰摩主要激发高倍频成分,且在系统俯仰刚体模态频率附近会出现倍频幅值放大现象;定侵入量条件下,高转速碰摩情况时系统的频率成分减少,系统的法向碰摩力也随着转速的增大而变化;定间隙条件下,在高转速碰摩情况时倍频幅值会超过转频,在一次连续碰摩过程中会出现多次碰撞反弹现象.      

新型叶片-机匣碰摩模型及其验证

针对航空发动机叶片-机匣碰摩故障,提出了一种新型叶片-机匣碰摩模型,该模型在传统弹性碰摩模型的基础上,考虑了叶片数和转静间隙变化对碰摩力的影响,能够模拟机匣单点、多点、局部及全周,转子的单点、多点、局部和全周的碰摩规律.将所提出的碰摩模型运用于转子-支承-机匣耦合动力学模型中,利用数值积分获取碰摩故障下的机匣加速度响应规律.利用带机匣的航空发动机转子实验器,进行了叶片-机匣的机匣单点-转子全周的碰摩实验,发现了机匣振动加速度信号的碰摩特征具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为叶片通过机匣的频率,在数值上等于旋转频率与叶片数的乘积,在频谱高频段出现了叶片通过频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,倒频谱具有旋转频率及其倍频的倒频率成分,仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的叶片-机匣碰摩新模型的正确有效性.最后,在此基础上,仿真计算了多种碰摩模式下的机匣振动特征和规律.      

转静干涉对转子叶片颤振特性的影响

在不同气动工况、不同几何模型下,采用自行开发程序对全环多排的高压压气机进行了流固耦合数值模拟,分析了进口导流叶片(IGV,以下简称导叶)对转子叶片颤振稳定性的影响。通过对气动弹性标准算例4的数值模拟验证了程序在颤振领域的有效性。针对导叶-转子模型和单转子模型,考察了近堵塞点、近设计点和近失速点3个工况下,节径变化对叶片颤振稳定性的影响,给出了气动弹性最不稳定状态对应的叶片振动形式。通过对比发现,导叶作用随工况而异,近堵塞点导叶使得转子1阶弯曲模态气动阻尼提高130.63%。研究表明:导叶引起的非定常压力波反射增强了转子叶片的非定常压力扰动幅值,使得弯曲振型的颤振稳定性增强。基于单转子模型的颤振分析给出了不准确的气动阻尼值。      

压气机动静叶干扰的非定常流动特性

采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法计算动叶尾迹对静叶干扰的流场信息。利用涡量分布揭示动叶尾迹在静叶通道内的演化过程,利用压力梯度识别激波结构及波振源,运用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法对静叶通道内流场的时空结构进行模态分解。结果表明:流场中存在3处波振源,分别位于动叶尾缘、静叶前缘和静叶尾缘处;发现静叶通道内流场的频谱具有多峰值现象,模态分解的第1阶流动代表动叶尾迹在通道内随时间迁移,对应频率为动叶通过频率(blade passing frequency,BPF)是通道内旋涡非定常波动的主导频率;第2阶流动是动叶通过频率的2倍频流动,旋涡的空间尺度为1阶模态的1/2,为更小尺度的扰动。      

基于支持向量机的航空发动机转静碰摩部位诊断规则提取

引入基于支持向量机(SVM)的数据挖掘技术,提出了基于SVM的转静碰摩部位诊断知识获取.首先,基于带机匣的航空发动机转子实验器,模拟了4个碰摩部位的碰摩实验,利用机匣4个部位的应变测试,获取了4个碰摩部位和4个测点的大量实验数据;然后提出了一种基于支持向量聚类(SVC)的诊断知识规则提取方法.在该方法中,利用SVC算法得到特征选取后样本的聚类分配矩阵,最后根据聚类分配矩阵构建超矩形规则.为使规则更加简洁,易于解释,采用规则合并、维数约简、区间延伸等方法对超矩形规则进行进一步简化.利用基于SVM的数据挖掘方法,从大量的碰摩部位实验数据中提取出了转静碰摩部位诊断的知识规则,并进行了相应解释和验证,规则识别率达到了99%以上,表明了该方法的正确有效性.      

直接供气预旋转静系流动特性的实验

用实验方法研究直接供气转静系预旋腔内的流动特性,得到了静盘表面的静压分布、预旋孔的排气系数以及盘缘出口流量的分配规律.结果表明:流量改变对静盘压力分布形状的影响较大,而转速改变的影响则较小;在几何条件不变以及预旋进气和中心进气流量相等的前提下,预旋孔排气系数主要由预旋进口流量系数决定;对于该实验模型和研究工况来说,盘缘出口流量系数比在0.7以上.      

轴流涡轮基元级静叶稠度对转静干涉的影响

对具有不同静叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况进行了数值模拟,考察了静叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响,探究了静叶稠度对转静干涉的影响机制.研究结果表明:当静叶稠度增加时,转子的非定常势干涉在上游静子中的扰动强度增加,但衰减加快,传播范围变短;静叶稠度的改变通过引起静叶尾迹的强弱、尾迹与动叶干涉的频率和动叶通道中的流动状态的变化来改变尾迹干涉的强弱;进而通过尾迹干涉强弱的改变影响基元级性能的非定常性.