航空发动机滚动轴承-双转子系统动态特性分析

在滚动轴承动力学和转子动力学分析基础上,建立了含滚动轴承动力学与转子动力学耦合以及高、低压转子间耦合的滚动轴承-双转子系统动力学方程,采用精细积分法和预估-校正Adams-Bashforth-Moulton多步法相结合的算法,对航空发动机滚动轴承-双转子系统非线性动力学方程进行求解,并对滚动轴承结构参数与转子动态特性的关系进行了理论分析.分析结果表明:①中介轴承径向游隙较小时转子系统振动量较小且转子运行较平稳,但中介轴承保持架打滑率会有所提高,应合理选取中介轴承的径向游隙值;中介轴承滚子数量对转子运转稳定性有较大影响,减小中介轴承滚子数量可降低保持架打滑率,但转子系统的振动量会增大;②支承轴承内、外沟曲率半径系数及径向游隙较小时转子系统的振动量较小,转子运转较稳定;支承轴承滚动体数量对转子运转稳定性有较大影响,滚动体数量增多有利于转子系统运行的平稳性.      

Nonlinear resonance characteristics of a dual-rotor system with a local defect on the inner ring of the inter-shaft bearing

In this paper, the nonlinear resonance characteristics of a dual-rotor system are investigated with the consideration of a local defect on the inter-shaft bearing of the system. A simplified model of the dual-rotor system is proposed by considering that there is a local defect on the inner ring of inter-shaft bearing. The local defect is modelled as an inverted isosceles trapezoidal groove, which can make great influence on the inter-shaft bearing force due to the change of radial clearance of the inter-shaft bearing. The motion equations of the dual-rotor system are formulated by using the Lagrange equation. The Runge-Kutta method is employed to solve the motion equation. The amplitude-frequency response curve of the dual-rotor system is obtained, the abnormal resonance characteristics are analyzed. In addition, the influence of defect parameters, rotors and support parameters and inter-shaft bearing parameters on the amplitude-frequency characteristics of the system are discussed. The results show that there are two main resonance peaks and four abnormal resonance peaks on the amplitude-frequency response curve of the dual-rotor with a local defect on the inner ring of the inter-shaft bearing. Through analyzing the vibration response of the abnormal resonance peaks, it is found that the first two abnormal resonances are caused by the combined resonance, which are related to the inner ring fault and the rotational speed of high or low pressure rotors, and the last two resonances are caused by the induced resonance of the inner ring fault. At the same time, when the parameters of defect, rotors and support and inter-shaft bearing change, the resonance of the system also shows the corresponding change law.     

反向旋转双转子系统动力学特性的有限元分析

近年来,有限元方法在计算转子系统的动力学特性方面得到了很大的发展。利用有限元方法计算了反向旋转双转子系统的动力学特性,分析了反向旋转双转子结构的临界转速特性和主振型特点。研究了中介轴承刚度和转速比对该双转子系统临界转速的影响。通过对结果的分析,得到一系列十分有益的结论,可为反向旋转双转子系统的设计提供一定的参考价值。     

航空发动机叶片-机匣碰摩过程的数值模拟

提出了基于隐式-显式相结合的积分方法对航空发动机叶片-机匣碰摩过程进行数值模拟,充分考虑了结构的低频线性稳态响应和碰摩引起的高频非线性瞬态响应.以某高压涡轮结构为例,仿真叶片-机匣碰摩的瞬态动力学过程,分析叶片的动力响应特征.研究结果表明:叶片-机匣碰摩过程中将产生影响应力分布的应力波并在叶身传导,碰摩结束后叶片将以低...     

碰摩双转子系统弯扭耦合振动分析与实验

针对航空发动机双转子系统,利用拉格朗日方程建立了含碰摩力的弯扭耦合动力学方程,采用龙格-库塔法进行数值计算,结合瀑布图、频谱图、分岔图、庞加莱截面图、幅频曲线分析了弯曲振动和扭转振动的频谱特征和分岔特性;利用增量式编码器对转子实验台进行了扭转振动测量,验证了数值计算得到的频率特征。研究结果表明:弯扭振动具有相似的特征频率,包括倍频、分数倍频、工作频率与倍频/分数倍频的组合频率,但扭转振动的特征频率更加明显;两者还具有相似的分岔过程和相同的分岔点,在每个分岔点处都存在幅值跳跃现象。      

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.      

复杂结构双转子系统的建模及模型缩减

建立了包含复杂结构特征的双转子三维实体有限元模型,应用Craig-Bampton模态综合法实现了模型维度的缩减。通过对比临界转速和固有振动特性验证了缩减模型的准确性。在此基础上计算了双转子系统的临界转速谱和特定转速比下的临界转速值。结果表明:Craig-Bampton模态综合法成功地将双转子高维实体有限元模型缩减到仅有数十个（34个）自由度的低维模型,并保持前2阶临界转速误差和前6阶固有频率误差不超过0.43%。基于缩减单转子模型再按照边界条件耦合的分析方案有利于快速求解双转子临界转速等动力学问题。      

双转子系统临界转速的有限元分析

利用有限元软件ANSYS建立简易双转子系统的有限元模型,分别用QR阻尼法和同步响应法计算该双转子系统的临界转速以及主振型。用该软件自带的参数化设计语言（APDL）编制该双转子系统临界转速和不平衡响应的计算程序,分别求出内转子和外转子为主激励的临界转速及主振型。对比结果发现采用QR阻尼法和同步响应法计算双转子系统前三阶临界转速的误差均在1％以内,结果吻合很好。用这2种方法计算双转子系统的临界转速都能得到满足工程精度要求的结果。     

基于压电纤维复合材料的离心叶轮叶片高阶模态测量

为准确获取离心叶轮叶片的高阶振动特性及其模态,利用压电纤维复合材料(Marco fiber composite,MFC)对离心叶轮叶片进行模态测试。设计了MFC激励系统,提出了MFC选型、激励和测点位置的确定方法,研究了不同信号的高阶模态激励效果,并分析了MFC附加质量和刚度对叶片固有频率和模态的影响;结合有限元仿真结果,对比分析了前20阶振动模态的异同。试验结果表明:MFC具有操作简单、重复性好、信噪比高、能够稳定激励出高阶模态等优势,计算模态与测量模态吻合较好,在第6～8阶与第12～15阶之间存在模态密集区域;MFC附加质量和刚度对实验固有频率的影响低于4%。提出的MFC激励方法可用于具有较高固有频率的航空发动机部件的模态测量。     

航空发动机空间管路系统的流固耦合振动特性

为了分析航空发动机空间管路系统的振动特性,提出了一种采用自定义管单元建立输液管路流固耦合有限元模型的方法.模型中的自定义管单元考虑了管路的横向流固耦合振动、轴向振动和周向扭转振动.管路系统中的支承采用非线性弹簧单元模拟.通过将自定义管单元的仿真结果与试验测试数据和经典理论解进行比较,验证了自定义管单元的正确性.研究了实际空间管路系统振动固有频率和响应特性.研究表明:随着内压增大,固有频率和临界流速均减小.同时得出了非线性刚度系数和激励幅值对管路系统简谐激励下受迫响应的影响规律.      

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.      

机动飞行条件下双转子系统动力学建模与响应分析

考虑航空发动机双转子中介轴承的耦合作用及陀螺力矩的影响,利用Lagrange方程建立了机动飞行条件下双转子-滚动轴承支承耦合系统动力学模型,对耦合双转子系统的动力学特性进行了理论与实验研究.结果表明:随着内外转子转速比增大,高压转子振动幅值减小,分岔点处转速增大,最大增幅近67.49%.机动飞行使转子的振动响应幅值增大,出现较多分频.在跃升和横滚飞行姿态下,高压转子响应主要表现为:随着跃升速度增加,高压转子振动幅值明显增加,最大增幅近409.24%,分岔点对应的速度增大;在横滚速度增大时,转子振动特性主要表现为从复杂的运动形态变换到单周期运动形态,转子的振动幅值明显增加.利用基础运动双转子模型实验台对跃升和横滚两种飞行姿态下耦合双转子系统的部分动力学特性进行了实验研究,实验结果与数值模拟结果有较好的一致性,证明了计算结果的正确性.      

双转子-支承系统动力学特性的有限元分析

利用有限元法对一个具有弹性基座的双转子-支承系统的临界转速和不平衡响应进行计算,把计算结果与该模型不考虑弹性基座的双转子-轴承系统的结果进行对比。结果表明,考虑弹性基座的双转子-支承系统的前三阶临界转速降低了,系统在155 Hz～200 Hz范围内临界转速的个数增加了,但在临界转速下的振幅减小了。因此考虑弹性基座对双转子-支承系统动力学特性的影响具有重要意义。     

含中介轴承内圈局部缺陷的双转子系统的组合共振特性

针对航空发动机双转子系统建立简化的动力学模型,在考虑中介轴承非线性Hertz接触力和径向游隙等非线性因素的情况下,将中介轴承内圈局部缺陷模拟成倒置的等腰梯形凹槽,利用4阶Runge-Kutta法进行数值计算,得到系统的分岔图,并着重分析分岔区域的组合共振特性,结果表明：相较于无故障系统,该系统在分岔图上出现三个新的分岔区域,前两个分岔区域是由内圈故障特征频率与高低压转子的转频形成的组合频率诱发的组合共振引起的,第三个是由内圈故障特征频率诱发共振引起的,在分岔区域内,系统运动的周期性的变化规律表现为从近似单周期运动到概周期运动再到近似单周期运动。     

用子结构传递矩阵法计算航空发动机转子-支承系统动力特性

子结构传递矩阵法是一种用于计算复杂转子系统动力特性的方法.利用子结构传递矩阵法对某转子系统动力特性进行了计算分析,同时改变不同位置的支承刚度,目的在于探求哪个支承刚度对该转子临界转速的影响最显著.结果表明：低压涡轮后支承的刚度变化对临界转速的影响最显著.     

转子-支承-机匣系统碰摩试验及特征提取

针对航空发动机转子系统的结构特征和转静件碰摩的动力学特征,建立了转子-支承-机匣系统碰摩模拟试验器.对叶片与机匣间轻微碰摩和严重碰摩两种工况下转子和机匣振动响应进行了试验测量,并基于连续小波变换和连续小波包能量的时-频分析方法分别对转子和机匣的振动信号进行了特征提取.结果表明机匣响应信号同时包含高频冲击信号和低频摩擦信号,轻微碰摩时以碰撞冲击效果为主,机匣响应主要为高频冲击信号;严重碰摩时摩擦效应增强,可为碰摩故障诊断和识别提供方法和依据.      

航空发动机分布式控制系统技术分析及系统方案

分析了航空发动机分布式控制系统的系统结构、通讯总线、智能元件、高温电子元器件及分布式电源总线等领域的研究现状,并进行技术成熟度评估.结果表明:航空发动机分布式控制系统研究处于基础研究阶段,各项技术成熟度(TRL)主要处于TRL1~TRL2.针对某涡扇发动机提出基于TTCAN(时间触发控制器局域网协议)总线的过渡分布式和部分分布式两种控制系统方案,分析了各方案中系统结构、控制功能和信号交互特点,以期为航空发动机分布式控制系统进一步研究提供参考.      

惯性非对称转子系统动力特性及安全设计策略

本文旨在分析惯性非对称转子结构的动力特性,主要包含多频特性、稳定性,并针对转子的失稳提出相应的安全设计策略.建立惯性非对称转子模型及其动力学方程,通过Hill无穷行列式建立非对称转子模态特性分析方法,分析惯性非对称转子系统的模态频率、稳定性;计算减速过程中转子的响应特性,进行试验验证并提出惯性非对称转子系统的安全性设计...     

考虑中介轴承波纹度的双转子系统的非线性振动

针对考虑中介轴承波纹度的双转子模型,应用转子动力学理论和拉格朗日方程建立系统的运动方程,采用数值方法求得系统的非线性振动响应,并分析了转速、波纹度最大幅值、波纹度波数和波纹度初始幅值对系统动力学行为的影响规律.结果表明:波纹度对高、低压转子动力学行为的影响规律基本一致,随着转速的增加,高、低压转子的运动表现为周期运动与非周期运动交替变化,在较低转速区可能发生概周期及混沌运动.随着波纹度最大幅值的增大,系统可由周期运动演化为周期2运动、概周期运动及周期4运动,表明波纹度最大幅值增大时不利于系统的安全平稳.当波数为滚动体数的整数倍时,系统可能出现概周期及混沌等复杂非周期运动.随着波纹度初始幅值的增大,系统表现为概周期运动与混沌运动交替出现,但波纹度初始幅值相对较大时转子系统的振动幅值相对较小.