转子动力学优化设计

优化设计可以使转子支承系统具有先天优良的转子动力学特性, 优化支承的刚度与阻尼系数是使转子支承系统获得优良动力学特性的有效途径。本文采用传递矩阵-拟模态综合法分析转子支承系统的动力特性-临界转速、不平衡响应以及对支承动力参数灵敏度分析, 进而对支承动力参数作优化设计。本文所提出的方法已经过算例、模型试验及工程应用的证实。      

不同支承结构下同转/对转中介轴承的刚度特性

中介轴承是耦合双转子航空发动机的关键部件,为了探明中介支承结构特征、装配条件和发动机工况对中介轴承刚度特性的影响,建立了中介圆柱滚子轴承刚度特性分析模型。模型综合考虑了中介支承结构形式、轴承内外环相对旋转方向、内外环配合参数、内外环锁紧螺母拧紧力矩、轴承工作温度、发动机转速、径向载荷和弹性流体动力润滑等方面的影响,分析了某型机中介轴承的径向刚度随各参数的变化规律。结果表明,内外环配合参数和发动机工况对中介轴承的刚度影响较大,设计时应考虑刚度变化对转子系统动力学特性的影响;中介轴承刚度对锁紧螺母的拧紧力矩不敏感。另外,中介轴承刚度同中介支承结构形式及内外环的相对旋转方向密切相关,设计时应结合气动性能和结构动力学的要求合理选取,避免对发动机的可靠性造成不利影响。     

磁悬浮飞轮转子系统的现场动平衡方法

针对磁悬浮飞轮的转子平衡后转动效果不理想、转子平衡过程复杂等问题,提出了一种基于磁轴承系统特性的现场动平衡检测方法。该方法通过考虑电磁力的影响,进行转子系统的整体动平衡,而非转子本身的动平衡。通过分别检测转子平动的最大位移和相位、转子转动的最大位移和相位,分别得到等效力/力偶不平衡质量的大小和相位,实现了整体不平衡量的现场检测和飞轮转子系统的高精度平衡。试验结果表明,该方法能有效提高飞轮转子系统的平衡精度,转子的跳动量、磁轴承的控制电流以及飞轮轮体的振动量显著减小。     

旋转机械故障诊断的灰度-基元共生矩阵方法研究

研究了基于灰度-基元共生矩阵的故障诊断方法,该方法利用图形的灰度空间分布情况和描述纹理的纹理基元法结合起来提取和挖掘旋转机械振动状态参数图形特征,可以有效地提取图形中纹理特征信息,直接利用BP人工神经网络实现旋转机械故障诊断。在600MW模化汽轮机转子试验台上进行了转子正常、转子不平衡故障、转子不对中故障及轴承松动故障的试验,诊断结果表明可以获得较高的诊断精度.      

基于灰度-基元共生矩阵的旋转机械故障诊断研究

研究了基于灰度-基元共生矩阵的故障诊断方法,该方法利用图形的灰度空间分布情况和描述纹理的纹理基元法结合起来提取和挖掘旋转机械振动状态参数图形特征,可以有效地提取图形中纹理特征信息,直接利用BP人工神经网络实现旋转机械故障诊断。在600MW模化汽轮机转子试验台上进行了转子正常、转子不平衡故障、转子不对中故障及轴承松动故障的试验,诊断结果表明可以获得较高的诊断精度。     

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。     

故障模拟多功能振动试验台的设计

提出了一种多功能振动试验台的设计方案,可模拟多种转动机械振动状况,配置数据采集分析系统,通采集、分析安装在试验台上的传感器信号,可对转子的振动情况进行测量。模拟转子动平衡、不对中、轴承故障等实验,便于技术诊断人员、科研实验人员进行转子多种振动和轴承故障的测试实验,也适合对相关技术人员进行教学培训工作。     

基于模糊数学形态学及免疫智能的旋转机械状态参数图形识别方法

以旋转机械振动多维图形为对象,研究了直接提取和挖掘图形特征信息的模糊形态学方法,提出了基于模糊数学形态学及免疫智能的旋转机械振动参数图形识别方法。利用模糊形态滤波方法实现图形滤波,研究了模糊形态边缘检测算子,并结合旋转机械振动参数图形进行形态学梯度的边缘纹理特征提取,最后利用人工免疫算法对图形特征进行诊断识别。在600MW模化汽轮机转子试验台上进行了转子正常、转子不平衡故障、转子不对中故障及汽流激振故障的试验,诊断结果表明本文所提出的方法可以获得较高的诊断精度,为旋转机械故障诊断探索了一条新路。     

高速对称刚性转子碰摩运动的稳定性分析

分析了高速对称刚性转子圆柱形和圆锥形碰摩运动。当转子两端的轴承同时发生不良润滑,造成转子两端同时与轴承接触,产生圆柱形碰摩运动,给出了发生圆柱形碰摩运动时系统的稳定范围,讨论了摩擦系数、轴承径向间隙、碰摩发生时的初始角度与失稳涡动角速度的关系。当转子一端的轴承发生不良润滑,而另一端的轴承正常工作时发生圆锥形碰摩运动,分析发现其碰摩运动的稳定性取决于其系统本身物理参数,进行了分岔分析。      

非线性油膜支承裂纹转子振动特性分析

 以具有无限长轴承和无限短轴承支承的横向裂纹转子为研究对象,分析在非线性油膜力与横向裂纹联合作用时,Jeffcott转子的动力特性,并将其与刚性支承情况进行比较。结果表明轴承油膜力的存在对裂纹转子的振动影响较大,一般将降低转子的振动,这样势必增加转子裂纹故障诊断的难度。所以,在进行裂纹转子的故障诊断时,必须考虑到支承条件的影响,建立合理的动力学模型。     

支承刚度非线性转子系统的不平衡响应

针对航空发动机中转子支承的刚度非线性问题,基于谐波平衡法,发展了一种适用于多自由度转子系统的不平衡响应计算方法.通过对带有非线性支承的双盘转子系统不平衡响应的数值模拟,获得了影响非线性转子系统不平衡响应的关键参数和重要规律.研究表明:转子不平衡响应的非线性特征与振型密切相关,转子的峰值频率和峰值振幅随支承刚度非线性的增强而升高,随不平衡的增大而增大,非线性支承会使响应中出现频率的3倍频和5倍频成分.     

微小型涡喷转子结构热工作稳定性分析及试验验证

针对某型微小型涡喷发动机高速转子进行结构热工作稳定性分析,采取高精度整体动平衡、热态动平衡检查以及必要的结构阻尼和隔热冷却处理进行试验验证.结果表明:转子不平衡量减小,在合适外阻尼作用下转子持续稳定,后轴承隔热屏的安装使转子支承测点平均温度降低,减少了转子支承的热量输入,减轻了热流对支承刚度以及阻尼的影响,改善了发动机转子结构热工作稳定性,提升了发动机整机稳定性和安全性.      

转子进动分析的4个定理

建立4个关于转子进动的定理.定理1为转子进动圆的面积定理;定理2为转子进动圆的周长定理;定理3和4则描述了转子上的作用力及其所作的功与转子进动的关系.应用上述定理,对不平衡力、阻尼力和反对称交叉刚度产生的弹性力所做的功进行了分析.所得结论与经典理论一致.但发现,ω_y＜Ω＜ω_x时,由于|r_-|＞r₊|,反对称交叉刚度产生的弹性力做负功,W＜0.这种情况下,反对称交叉刚度为镇定因素,有利于抑制反进动失稳.      

Identification of Rotating Assembly Inertial and Bearing Parameters

The problem of estimating the state of a turbopump rotating assembly and identifying unknown products of inertia and unknown bearing parameters is considered. A linearized, extended Kalman filtering approach has been used and found to be successful for both state estimation and parameter identification in an inherently nonlinear problem. The input data was simulated Bently test data which was obtained from a verified 12-dimensional state-space model and was compared with real Bently test data obtained from NASA. The results prove the feasibility of using this model and this type of test data to obtain the hidden parameters of a typical turbopump rotating assembly. This method should lead to improved performance by allowing improved balancing of the rotor and giving improved knowledge of the bearing reactions.     

变刚性支承转子的动力特性讨论

一、一种理想的转子稳态幅频线 一个转子如采用不同刚性的支承,则转子支承系统的幅频特性（r～ω）线不同。图1中虚线示出同一转子采用低刚性引和较高刚性K₂′支承时的幅频特性线1和2。有人想利用改变支承的方法来减小通过临界转速时的振动。方法是对图1（a）情况在转子角速度ω≤ω_Ⅰ时使支承刚性为k₂′,ω≥ω_Ⅰ时变支承刚性为K₁′;对图1（b）的情况则在ω≤ω_Ⅰ和ω_Ⅱ≤ω≤ω+Ⅲ支承刚性.      

三支点柔性转子系统支承不同心激励特征及振动响应分析

针对航空发动机三支点柔性转子系统的支承不同心问题,充分考虑转子结构特征和载荷特征,首次将当量刚度引入多支点柔性转子不同心问题的动力学分析,定量描述转子系统各支承间不同心度带来的转子轴段刚度非线性,并提出了多跨度柔性转子系统支承不同心激励的数学描述,建立了不同心激励下多跨度柔性转子系统的力学模型。基于Lagrange能量法,给出了转子系统动力学方程的求解方法,研究得到了支承不同心转子系统的动力响应特征。结果表明:支承不同心不仅引起转子过渡轴的刚度非线性,产生2倍频激励,还会给转子系统带来附加不平衡激励;对于三支点柔性转子系统而言,2倍频分量同样是支承不同心下转子系统振动响应的典型特征之一。转子系统2倍频分量随不同心量的增加而迅速增加,而1倍频分量基本保持不变。同时转子振动响应呈现"缓增速降"趋势,且随非线性刚度、不平衡量的增大愈加明显。     

基于不平衡加速响应信息的柔性转子双面平衡

模态平衡法和影响系数法是转子平衡中最常用的两类方法,它们都以转子的稳态响应为基础,因此称之为"稳态平衡方法"。针对当前转子稳态平衡方法中存在的不足,提出了利用不平衡加速响应信息进行柔性转子平衡的新方法。为了描述模态不平衡相对键相槽的角位置,首次引入了模态不平衡方位角的概念,并通过转子的不平衡加速响应信息对其进行了识别;在此基础上,结合转子的模态知识,添加合理的平衡试重组,利用各阶模态试重大小与对应阶模态不平衡响应幅度增量的线性关系,识别出校正质量组的大小,通过双面加重的方法实现了转子前两阶模态的平衡。仿真和实验结果表明,该瞬态平衡方法在有效降低转子不平衡振动的同时,减少了平衡过程中的起车次数。     

Dynamic coefficients and stability analysis of a water-lubricated hydrostatic bearing by solving the uncoupled Reynolds equation

This paper concerns the dynamic characteristics of incompressible laminar flow hydrostatic bearings. An improved method based on the mathematical perturbation technique for calculating the stiffness and damping coefficients of hydrostatic bearings is presented; it raises the calculation efficiency by uncoupling the recess flow continuity equations from the solving of the Reynolds equation. The dynamic coefficients of a water-lubricated four-recess hydrostatic bearing are calculated with both the improved method and the conventional method. The comparisons between these two methods validate the effectiveness and correctness of the improved method. Furthermore, the dynamic response and stability characteristics of a rotor supported by the hydrostatic bearing are calculated and compared with experimental results. First, the dynamic responses calculated with the linear and nonlinear bearing dynamic coefficients models show that the linear model is inaccurate if the rotor whirls in a large eccentricity ratio range, owing to the nonlinearity of stiffness and damping. Second, according to the numerical and experimental results, the nonlinearity of bearing stiffness and damping coefficients could induce double rotational frequency component in the unbalance response frequency spectrum. Finally, the numerical results indicate that the stability threshold speed of the bearing increases with eccentricity ratio. The improved method proposed can be used to evaluate the dynamic performance of hydrostatic bearings efficiently, and the bearing characteristics presented could contribute to a better understanding of the performance of water-lubricated hydrostatic bearings.     

Helicopter aeroelastic analysis with spatially uncertain rotor blade properties

This paper investigates the effects of spatially uncertain material properties on the aeroelastic response predictions (e.g., rotating frequencies, vibratory loads, etc.) of composite helicopter rotor. Initially, the spatial uncertainty is modeled as discrete random variables along the blade span and uncertainty analysis is performed with direct Monte Carlo simulations (MCS). Uncertainty effects on the rotating frequencies vary with the higher-order modes in a non-linear way. Each modal frequency is found to be more sensitive to the uncertainty at certain sections of the rotor blade than uncertainty at other sections. Uncertainty effects on the vibratory hub load predictions are studied in the next stage. To reduce the computational expense of stochastic aeroelastic analysis, a high-dimensional model representation (HDMR) method is developed to approximate the aeroelastic response as functions of blade stiffness properties which are modeled as random fields. Karhunen–Loève expansion and a lower-order expansion are used to represent the input and outputs, respectively, in the HDMR formulation which is similar to the spectral stochastic finite element method. The proposed method involves the approximation of the system response with lower-dimensional HDMR, the response surface generation of HDMR component functions, and Monte Carlo simulation. The proposed approach decouples the computationally expensive aeroelastic simulations and uncertainty analysis. MCS, performed with computationally less expensive HDMR models, shows that spatial uncertainty has considerable influence on the vibratory hub load predictions.