不对称静子尾迹流场激振力分析及计算方法

为降低转子叶片在前排静子尾迹流场激振情况下的动应力,提高转子叶片疲劳寿命,对不对称静子叶片分布进行流场分析,研究在不对称静子分布非谐情况下,转子所受到的尾迹流场的激振力频谱及幅值.研究表明不对称静子分布非谐设计下,转子所受到的激振力由静子均布情况下的单频率高幅值激振转变为多频率成分低幅值激振力,通过对各个频率成分幅值的计算分析,得到了不对称静子分布非谐设计可有效降低转子叶片受到的尾流激振力,提高疲劳寿命的结论.同时,对不对称静子分布的三维流场计算,提出了简化计算方法,可大大降低计算时间和对计算机硬件要求.      

具有初始热变形的转子系统振动响应分析

航空发动机热起动时的温度分布不均会使转子产生初始热变形,进而引起发动机振动过大,甚至导致起动失败。针对此问题,以航空发动机中的典型转子为对象,根据初始热变形对转子振动的影响建立相应的动力学方程,并通过模态坐标变换分析初始热变形对转子系统振动响应的影响。结果表明,初始热变形相当于对转子作用了附加激励,包括转轴初始弯曲激励、附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励,上述激励均与转速同步。其中,附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励大小与转速有关,对转子通过各阶临界转速的振动响应均有较大影响;转轴初始弯曲激励大小与转速无关,主要影响低阶临界转速的振动响应。      

高速转子连接结构刚度损失及振动特性

高负荷航空发动机转子的转速和支点跨度不断加大,使得转子弯曲刚度下降,并在工作中具有一定弯曲变形。转子弯曲变形时,连接界面会存在刚度损失,需考虑转子弯曲变形对连接界面刚度特性及转子系统振动特性的影响。提出了定量描述连接界面刚度损失的力学模型,并针对非连续转子系统的动力学设计,提出了基于应变能分布优化的连接结构刚度损失抑制方法。数值仿真结果表明:转子弯曲变形下,连接界面刚度损失显著,会使转子弯曲临界转速大幅降低;通过转子应变能分布优化设计可有效降低连接界面刚度损失对转子系统振动特性的影响,对转子系统振动特性优化设计具有重要的指导意义。      

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。      

基于有限元Craig缩聚模型的基础激励和载荷识别

载荷识别是用有限自由度的加速度测量值推断外力.基础激励是在基础自由度上加给定的加速度时间历程激振结构,求整个结构的动响应.利用Craig减缩模型的性质,及界面自由度的已知运动可求出整个结构其余自由度的动力学响应,完成基础激励求解.在此基础上用已知的界面自由运动和求得的非界面自由度的动力学响应,代入结构动力学方程即可实现载荷识别.本方法唯一能给基础激励和载荷识别结果带来的偏差是Craig缩聚模型与原始有限元模型间的差异,对此用频响分析的方式,直接从频响曲线的变化来确定缩聚模型的精度.算例表明这一新的基础激励和载荷识别途径是有效的.      

高速柔性转子系统动力特性稳健设计方法

高速柔性转子系统为控制其转子变形和多阶临界转速分布,常采用多支点支承方案,而转子-支承结构力学参数的分散性,使得转子动力特性设计成为多变量多目标非确定性优化问题。通过Lagrange法建立柔性转子运动方程,定义罚函数以定量描述多阶临界转速的分布特征,采用区间数学分析方法和遗传算法结合的方式,建立了基于临界转速分布特征优化及连接结构刚度损失控制的转子系统动力特性稳健设计方法。算例表明,通过将多阶临界转速集中于一定转速区间,并控制连接结构弯曲应变能分布比例,可有效减小转子通过多阶临界转速时的振动响应,降低转子动力特性对连接结构受力状态变化的敏感度,提高高速柔性转子系统动力特性的稳健性。      

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。      

高速柔性转子系统非线性振动响应特征分析

针对高速柔性转子多支点支承的结构特点及转子动力特性设计的需要,分析松动支承对转子动力特性的影响,仿真研究得到多支点支承高速柔性转子系统的非线性振动响应特征。研究结果表明:工作在多阶临界转速以上的转子系统,存在松动支承时,工作中的柔性转子可能存在周期、拟周期、混沌运动。进而研究了松动支承位置、不平衡量、松动间隙等参数对多支点支承柔性转子振动响应的影响,分析结果为多支点支承高速柔性转子系统的动力学设计提供了理论方法。      

高速柔性转子支承松动力学特征及动力特性

针对高速柔性转子支承松动的结构特征、力学特征以及多支点转子系统动力学设计的需要,研究了转子支承结构松动引起支承刚度非连续变化的产生机理,建立了支承松动转子系统动力学模型,分析了支承松动转子系统存在混沌运动的条件,即当转子动力特性对支承刚度变化敏感时,受支承刚度阶跃影响,支承松动转子系统会产生混沌运动。根据多支点转子系统动力学特性与支承结构位置、刚度的相关性,采用优化支承位置和支承刚度的方法,使转子动力特性对支承刚度非连续变化不敏感,为多支点高速柔性转子系统的动力学优化设计提供了设计途径。     

共轴刚性旋翼直升机旋翼控制相位角问题分析

利用共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,以XH-59A共轴刚性旋翼直升机为研究对象,分析了旋翼控制相位角对纵向配平特性、需用功率以及上、下旋翼桨毂弯矩的影响。基于分析结果,提出了一种针对共轴刚性旋翼直升机的旋翼控制相位角的配置方法。该配置方法以降低直升机需用功率为目标,并保证上、下旋翼桨毂弯矩和配平特性满足要求。通过该方法能使XH-59A直升机在0~80 m/s的飞行速度范围内满足上、下旋翼最大桨毂弯矩和纵向操纵限幅的要求,并且能最多降低8%的直升机需用功率,为共轴刚性旋翼直升机的设计提供了参考依据。     

磁悬浮反作用飞轮磁轴承动反力分析及实验

针对磁悬浮反作用飞轮转子系统,提出了一种描述混合磁轴承动反力的新模型.基于拉格朗日原理,将飞轮转子两去重面内不平衡质量矩等效至两端径向磁轴承位置,并与转子惯性轴偏离几何轴引起的离心力共同作用,得到磁轴承动反力.仿真结果表明:转子两不平衡质量矩大小相等时,其振幅从相位差φa-φb=0时的30μm减小至φa-φb=π时的10μm(减小了2/3),从转速为1000 r/min时的5μm增加至5000 r/min时的10μm(增加了1倍).测试实验结果与仿真结果一致,为飞轮系统高精度高稳定度控制奠定了基础.     

无轴承异步电机无径向位置传感器控制

针对无轴承异步电机(BIM)运行中转子位置辨识问题,提出一种基于改进反电动势法的无位置传感器控制方法.该方法在反电动势法(BEMF)的基础上,通过加入低通滤波器减小径向悬浮力绕组磁链的观测误差,同时对低通滤波器引起的相位和幅值偏差进行补偿,获得改进后的径向悬浮力绕组磁链观测模型,根据磁链-位移方程最终获取转子径向偏移,实现转子径向位移自检测.应用这种位置检测方法,建立了无轴承异步电机无位置传感器矢量控制系统,并进行仿真研究.仿真结果表明:该控制系统不仅能有效检测出转子径向位置,且具有优良的转速和转矩特性.进一步的实验结果同样表明:该方法能具有良好的位置在线自检测能力,实现了无轴承异步电机无位置传感器方式下的稳定悬浮运行.      

共轴刚性旋翼悬停状态桨叶表面压力测量试验与计算研究

针对共轴刚性模型旋翼悬停状态,开展了桨叶表面压力测量试验与数值模拟研究。试验采用微型压力传感器进行桨叶表面压力测量,不仅获得了桨叶表面压力的试验数据,同时为CFD计算方法计算桨叶表面压力提供了验证数据。计算与试验结果对比吻合度良好,验证了CFD计算方法的有效性。研究获得了共轴刚性旋翼上下旋翼桨叶表面的流动情况和压力特性,结果表明:对于上下各4片桨叶的共轴刚性旋翼,桨叶表面压力随着桨叶旋转呈周期性变化,旋转一周出现8个小周期;在上下旋翼扭矩配平的悬停状态,下旋翼桨叶大部分区域受下洗流影响,下旋翼剖面拉力低于上旋翼;在桨尖区域,下旋翼的桨距角大于上旋翼,受各自上洗流的影响,下旋翼剖面拉力高于上旋翼。      

光滑时变约束转子动力特性分析

光滑时变约束是转静子碰摩所产生的一种力学效果,指静子与转子发生持续接触,静子对转子产生周期时变的约束作用,转子在该约束下的附加刚度曲线是一条光滑可导的函数。根据试验转子在光滑时变约束下的附加刚度曲线建立一种光滑时变约束模型,基于Hill行列式理论分析光滑时变约束转子的模态频率、稳定性及响应,为碰摩转子故障识别和稳定性分析提供一种分析途径。结果表明:光滑时变约束下转子具有频率耦合、多频、失稳特性。失稳转速区中,转子的幅值随时间逐渐增大,引起转子失稳的频率成分即为转子模态分析中特征值实部大于0的频率成分;非失稳转速区中,转子的频率成分主要为转速频率和波动频率构成的频率组合。      

密封汽流激振下转子动力特性的时域分析

针对汽轮机转子偏心导致的汽流激振问题和静偏心模型在转子动力特性研究中的缺陷,采用动网格技术模拟转子真实的三维涡动,在时域上对转子的动力特性进行研究。结果表明:转子涡动时,汽流激振力及其动力系数在时域上随位移呈三角函数变化,且径向力的方向随转子中心位置的变化发生改变。偏心率、涡动速度、自转速度和压比均影响转子动力特性。额定工况下,偏心率每增加10%,径向力与切向力平均增加约25~35 N。随着涡动速度的增大,切向力朝负方向增加,而直接阻尼和交叉阻尼减小。随着压比的增加,径向力增大而切向力减小。在一定范围内,较大的自转速度会使最大激振力的绝对值减小。