航空发动机转子盘腔积油振动故障分析

结合工程中航空发动机转子在试验中遇到的积油振动问题,从积油振动理论、动力学特性和振动信号分析方面展开研究,剖析了转子盘腔积液故障机理,获得了所引起转子失稳振动的特征及规律,建立了盘腔积油故障识别的流程和准则,以及其振动监控指导.研究表明:积油在转子临界转速以上的特定区域才会产生明显的次谐波振动,引起转子自激振动,自激振...     

航空发动机双转子系统“临界跟随”现象的机理及影响

为了探明“临界跟随”现象导致航空发动机振动居高不下的产生机理,建立了考虑中介轴承的双转子动力学模型,推导了双转子发生“临界跟随”现象时参数之间的关系,分析了“临界跟随”状态下转子系统的动力学特性。结果表明:“临界跟随”现象会导致转子系统无法越过盘偏摆振型临界转速,造成转子振动对不平衡质量分布极其敏感,其主要影响因素为盘极转动惯量与直径转动惯量的比值(简称惯量比)以及双转子增速比;当高压盘等效惯量比等于1,或增速比与任意低压盘惯量比相等时,转子系统表现出高压激励条件下的“临界跟随”特征;当低压盘惯量比等于1,或增速比与高压盘等效惯量比的乘积等于1时,转子系统表现出低压激励条件下的“临界跟随”特征。提出了必须严格控制航空发动机叶盘的等效惯量比以及双转子转速控制律的设计建议。      

基于多重优化的多级盘转子虚拟装配平衡方法

针对航空发动机转子振动精准抑制对装配工艺的需求,提出了一种虑及多转速多级盘结构转子虚拟装配平衡优化方法。以多级盘转子试验台为对象建立了转子动力学模型,在各级盘残余不平衡量及转子原始振动已知的情况下,通过仿真模型进行虚拟装配。以转子各测点的残余振动以及转子整体不平衡力和不平衡力矩为优化目标,采用多重优化算法寻找各级轮盘装配角度的优化方案。最后在3盘转子系统试验台上进行了试验验证,结果表明,使用该方法可使转子在宽转速范围内振动均有所下降,其中最大下降幅度为85.75%。本文结果可为航空发动机多级盘结构转子装配提供方法和技术支撑。     

带悬臂涡轮盘发动机转子的振动特性及平衡技术研究

在旋转试验器上研究了带悬臂涡轮盘火箭发动机氧涡轮泵转子的振动特性,并在此基础上完成了氧涡轮泵转子的高速动平衡试验.结果表明：氧涡轮泵转子的振动与悬臂涡轮盘的不平衡量密切相关,单面高速动平衡技术对减小悬臂柔性转子的振动效果显著.     

带挤压油膜阻尼器双盘转子的参数变化对系统响应的影响

研究了涡轴发动机模拟低压转子的动力学响应随系统参数的变化.首先基于涡轴发动机模拟低压转子,建立了弹性支承-两端带挤压油膜阻尼器的双盘转子动力学模型,推导了其运动微分方程.对于这个12维的动力学方程组,采用数值方法进行了求解.研究了转速、两盘偏心及其相位角、两盘质量比等对系统响应的影响.由计算结果可以看出,中间盘和外伸盘的相位差为π时,两个盘的振动响应都达到最小,而当两个盘的偏心相位相同时,其振动响应最大.中间盘的质量越大,两个盘的响应会越大;而当中间盘比外伸盘质量小很多时,系统的振动响应会降低.      

航空发动机转子-支承系统的瞬态响应

 本文发展了传递矩阵-直接积分法,把支反力、挤压油膜力及各个轮盘的不平衡力分组单独处理,从而可以在特征盘固定的情况下,综合或分别地研究各个盘不平衡的响应、转子与静子的振动匹配、修改结构及作灵敏度分析;可用于分析转子、支承非对称刚性的系统。为了求转子系统的瞬态响应,还分析、导出了瞬态挤压油膜力,盘、质点在瞬态响应中的传递矩阵等的表达式。本文还附有一双转子支承系统的算例。     

航空发动机盘腔积油振动故障分析

以大涵道比航空发动机盘腔积油振动故障为研究对象,正向分析振动故障树。对比积油转子自激振动失稳原理和故障转子的信号特征,确定故障原因。画出故障特征频率伯德图和等效激振力坎贝尔图,发现积油转子进入不稳定区失稳后的自激振动频率为发动机转子-支承系统高压激振第4阶临界转速,当积油转子转速退出不稳定区下边界后振幅存在明显的滞后现象。本文所做工作可为航空发动机盘腔积油故障诊断提供经验和依据。     

叶片-轮盘-轴系统的耦合振动分析

介绍了以叶片-盘-轴系统为研究对象,用模态综合技术分析转子的耦合振动特性,建立准确而经济的计算方法和相应的软件包。充分运用模态综合技术,将整个转子系统划分为两个层次的子结构:主层次为叶片-盘系统及轴,次层次为单个叶片和盘扇形区。通过计算分析导出一些通用结论及规律,可供工程中转子系统设计及耦合振动固有模态分析时应用。     

不平衡激励作用下周向加肋机匣振动能量传递机理

为了研究周向加肋机匣对整机振动的抑制机理,采用有限元法建立了加肋机匣-支承-转子耦合结构,结合振动功率流法分析了在转子不平衡激励作用下周向加肋机匣中的振动能量传递机理。 结果表明:机匣周向加肋筋诱导出的能量涡流场能够分流和耗散掉部分由转子传递至机匣的振动能量;机匣周向加肋筋改变了振动能量的传递路径,减小了机匣与支板连接处振动能量的回流现象;振动能量传递到机匣周向加肋筋后发生传递波波形的转换,携带大部分振动能量的弯曲波转换为纵波并沿加肋筋周向传递,阻断振动能量沿轴向传递至整机其他部位。 研究结果可为航空发动机结构设计以及整机减振提供参考。      

叶片─盘─轴整体转子振动特性分析

提出分析盘-片-轴全弹性整体转子系统动力特性的新方法。采用刚盘-轴组件和盘-片组件作为两个子结构, 应用模态综合, 导出了整体转子的运动方程, 求解了相应的广义陀螺特征值问题, 求得涡动频率、涡动模态和临界转速, 判断了正、负进动。对盘-片组件执行了几何非线性大变形分析, 求出动平衡位置和切线刚度阵, 准确计算了离心力的刚度效应。利用盘-片组件的回转对称性, 采用群论算法, 把自由度缩聚到一个扇区, 克服了算机容量的困难。编制了盘-片-轴耦合振动的大型有限元程序。进行了盘-片-轴耦合振动的试验研究, 试验与计算结果一致。      

失调叶片盘耦合振动的力学模型

借助于子结构模态综合法,为研究真实的失调叶片盘耦合振动问题提出了一种非常接近于实际叶片盘的力学模型和简便的理论分析方法;并通过对一个实际失调叶片盘的强迫振动试验,对力学模型、计算公式和程序进行了考核验证。结果表明,试验与计算相当吻合。     

失调叶片盘的振动机理

本文对于失调叶片盘的耦合振动问题 ,采用子结构模态综合法建立系统的振动微分方程 ,利用试验模态分析及模态修正计算求得调谐叶片和外缘带锥壳轮盘的若干低阶模态。通过对叶片模态刚度的微量摄动 ,构造真实的失调叶片盘和各种理论分析失调模型。对某个实际的失调叶片盘的非旋转强迫振动试验验证了系统的力学模型和计算公式。计算结果分析表明 ,失调叶片盘强迫振动响应中个别叶片振动过甚乃为叶片失调所致。对各种失调模型的振动计算表明 ,小频差的随机失调优于其他失调分布形式。并就算例给出了最佳频差幅值和恰当的发动机工作频率范围。     

Mistuned bladed disk forced vibration analysis based on standing wave formulation

Forced vibration analysis including a vortex lattice prediction given an external aerodynamic force is conducted in this paper based on a standing wave formulation. The starting point of the standing wave formulation is a set of blade disk normal modes that incorporate all forms of the blade, disk, and shroud elastic coupling. The Küssner gust function was used in a few previous investigations of forced vibration based on the standing wave formulation. However, it was found to be valid only for low engine-order excitation. Therefore, a two-dimensional unsteady vortex lattice method is employed in this paper to predict the gust excitation up to higher engine-order excitation. Thus, the present unsteady vortex lattice analytical model is capable of capturing compressibility and higher engine-order excitation. It features advantages in terms of its computational time and level of accuracy. The effects of mistuning a cascaded blade are also examined in the present aeroelastic analysis to determine the possible advantages obtained by doing this. Numerical results for the mistuned bladed disk are presented regarding its forced response characteristics. In a low engine-order excitation condition, it is shown that similar predictions are obtained between the present and earlier analyses. The maximum discrepancy in the blade amplitude is 70% for a single-blade mistuned rotor and 62.6% for an alternately mistuned rotor, in the worst case, compared to a completely tuned rotor. Single-peak frequencies are presented and analyzed in the higher engine-order excitation levels.     

双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘振动抑制作用分析

将压电分支电路引入失谐叶盘结构,形成机电耦合系统,给出了机电耦合系统动力学方程的推导过程,并从理论上研究了压电分支阻尼对失谐叶盘结构响应放大的抑制效果.通过构造双周期分布式压电分支电路,研究了双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘结构的振动抑制效果,并与单周期压电分支电路进行了对比,对比结果显示压电分支阻尼（包括单周期压电分支阻尼以及双周期分布式压电分支阻尼）均能有效降低随机失谐叶盘结构的响应放大,其中双周期机电耦合系统响应放大因子统计分析结果小于1的概率在99.7%以上,基本消除了失谐叶盘结构的响应放大现象.通过合理地设计系统的双周期模式,能够获得比单周期更好的失谐响应放大抑制效果.此外,压电分支阻尼使得随机失谐叶盘结构的失谐“阈值”现象消失,提高了叶盘结构的失谐鲁棒性.      

失调对叶片-轮盘耦合系统振动影响的预测

叶片 -轮盘系统的周期对称性经常由于制造、材料,以及非均匀磨损和其它因素而被破坏,引起系统出现失调现象,表现为结构特性的微小变化可能导致叶片振幅和响应的急剧增大。而失调也导致此类周期对称性结构振动特性计算的复杂化。利用有限元通用程序和模态综合技术,建立失调叶片 -轮盘耦合系统三维有限元模型,对一个有1 6个叶片的叶片 -轮盘耦合系统进行了振动特性计算分析,给出了叶片分散度和耦合度对振动特性的影响。     

错频转子系统动力特性研究

根据某级压气机叶／盘转子的实际结构，建立了叶／盘带短轴的有限元模型。采用NASTRAN结构分析软件，得到了模化协调转子所需的数据，构建了多自由度叶／盘转子系统动力学模型，并在此基础上通过改变多自由度模型中叶片刚度实现错频。采用基尔法求解错频转子系统的运动方程。获得了此多自由度系统的动态响应，并对不同错频方案进行了对比分析。     

随机失谐叶盘结构失谐特性分析

为研究失谐叶盘结构最大的强迫响应幅值及最坏失谐模式,提出了运用遗传算法和序列二次规划混合优化方法确定失谐叶片最大的幅值放大系数及相应最坏失谐模式的通用方法.揭示了失谐跳变-局部化现象,构建了与振动响应局部化直接关联的表达因素.失谐敏感度分析表明,失谐叶片最大的幅值放大系数随失谐强度的增加而增大,并在失谐强度上界处取得极值,并没有所谓的失谐"阈值"现象.      

失谐叶盘结构鲁棒性能分析

在状态空间内建立了失谐叶盘结构的传递函数模型,以失谐传递函数矩阵的结构奇异值为指标,研究了各种失谐参数对叶盘结构鲁棒性能的影响.在此基础上对一个扇区两自由度的简化叶盘结构模型进行分析,考虑了激励阶次、阻尼、失谐程度和人为失谐等因素对系统鲁棒性能的影响.计算结果表明:增加系统阻尼,将失谐范围控制在阈值以外,以及在系统中引入适当形式的人为失谐等三种措施都能有效地提高叶盘结构的鲁棒性能.      

基于耦合场压电分析的失谐叶盘振动仿真模拟

针对典型失谐叶盘结构振动响应局部化实验需求,通过有限元仿真验证实验的最坏叶片失谐模式,基于ANSYS软件的直接耦合场压电分析功能,对粘贴在叶片根部的各压电陶瓷片施加行波谐激励电压,模拟了失谐叶盘的振动响应局部化特性。数值仿真结果与实验结果得到了良好的验证,为进行失谐叶盘振动局部化实验研究提供了有效的支撑。     

失谐叶盘振动模态局部化定量描述方法

基于实际叶盘结构失谐振动模态局部化的基本特性和物理含义,提出了三种模态振型局部化程度三定量描述方法,并利用这三种模态局部化因子进行了典型叶盘结构失谐振动模态局部化程度的定量确定。讨论了典型叶盘结构失谐振动模态特性。分析说明和实例计算表明,相应的局部化因子计算过程简单、物理意义明确,可以有效定量确定实际叶盘结构的叶片失谐导致振动模态产生局部化的程度。