航空发动机双转子系统叶片-机匣碰摩故障模拟

叶片-机匣碰摩严重影响航空发动机的性能、可靠性及安全性。考虑叶片-机匣碰摩、轴承非线性、联轴器不对中及高低压转子不平衡,利用有限元法建立双转子系统的非线性动力学模型;然后利用模态综合法缩减系统自由度,数值求解降阶模型的非线性振动响应,分析叶片-机匣碰摩故障响应特征。数值与实验结果表明：航空发动机双转子系统为多激励非线性系统,系统振动响应频率成分复杂,包括高低压转轴频率、多倍频、组合频率及其他复杂频率;当叶尖间隙较大时,叶片-机匣碰摩可能为局部碰摩,故障特征频率为叶片通过频率及其倍频,并在叶片通过频率两侧存在高低压转轴频率的调制边频带;当叶尖间隙较小时,叶片-机匣碰摩可能发生全周碰摩,呈现出由干摩擦引起的强烈自激振动。研究结果可为航空发动机双转子系统的叶片-机匣碰摩故障诊断及叶尖间隙设计提供一定参考。     

带柔性静子部件的轴承共腔涡轴发动机碰摩特征

为研究具有轴承共腔结构的涡轴发动机在发生转、静子碰摩时转子-机匣系统动力学特征及机匣振动响应特征,建立了简化的转子-机匣碰摩动力学模型,并通过Runge-Kutta法进行求解。仿真结果表明:当发生转、静子碰摩时,机匣响应频谱中出现转子高倍频及其组合频率成分,高倍频成分幅值随碰摩程度加重而增大。对该型发动机进行台架试车实验,验证了该模型和结论的有效性。并利用不具有该结构的某第二代涡轴发动机试车的碰摩数据,进一步验证了带柔性静子部件的轴承共腔发动机中双转子间存在运动耦合,为涡轴发动机振动监控与故障诊断提供一定的理论依据。      

转子与限位器局部与整圈碰摩试验研究

设计了储能飞轮转子与限位器碰摩试验装置,用电磁激振器激励转子,激振频率与转子—支承系统模态进动频率一致,得到了大幅度低频异步反向进动并实现碰摩。分析了碰摩力对转子运动的影响。局部碰摩转子的稳定振动表明内置式限位器能够有效地限制转子低频进动幅度,局部碰摩的特征是低频进动幅值不再增加、碰摩间断发生以及转子自转速度不变。      

碰摩约束下柔性转子模态特性及其计算方法

以航空发动机低压（LP）转子为代表的柔性转子,通常具有两端大质量、细长轴和长跨度支承的"弱刚度"结构力学特征,这使得碰摩产生的约束作用不可忽视,其将会导致柔性转子模态特性改变,进而造成临界转速等动力学目标偏于设计状态。本文以典型航空发动机低压柔性转子为对象,结合梁单元法提出了此类复杂转子在碰摩约束下的动力学建模方法;将谐波平衡思想与频域的自由度缩减技术结合,提出了相适用的非线性模态求解方法;在此之上基于ANSYS和MATLAB平台,建立了含碰摩约束的复杂转子非线性模态分析的一般流程。将方法应用到某型柔性转子系统,成功获得其模态特性,结果表明：碰摩约束使转子模态频率增加,且随转子振幅增加而增加,尤其是对风扇碰摩较为敏感的一阶弯曲模态,正/反进动模态频率变化率可达16%和29%,但模态频率的变化始终在特定区间内;碰摩对转子模态频率的影响程度与陀螺效应、转子振型及机匣刚度密切相关,但对摩擦系数不敏感。由于接触点处摩擦力做功影响,柔性转子各阶反进动模态阻尼在碰摩严重时小于0,反进动模态能发生失稳。     

某型涡扇发动机高压转静子碰摩故障研究

基于某型双转子涡扇发动机高压转、静子在工作中发生的碰摩现象,通过碰摩消除前后的整机振动响应对比,总结了高压转、静子碰摩的典型振动特征,结合碰摩特点及相关振动理论研究,建立了高压压气机转、静子碰摩模型,应用龙格库塔(Rung-Kutta)法求解模型特定转速下碰摩位置振动响应的频谱图。计算与试验结果表明:双转子结构发动机发生转、静子碰摩时靠近碰摩位置的机匣振动响应会出现次谐波、高次谐波和组合谐波成分,且随碰摩接触面积的增加而增加。     

叶片丢失激励下航空发动机柔性转子系统的动力学响应

为揭示叶片丢失激励下转子系统动力学响应特征,考虑涡扇发动机低压转子刚度/质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征等,建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型。对突加不平衡激励及持续碰摩约束下转子系统动力学响应特性进行分析。结果表明:所建立转子动力学模型可以有效反映叶片丢失激励下转子冲击振动和复杂简谐振动响应特征。在突加不平衡激励下转子系统的瞬态振动响应加剧,具有显著冲击响应特征,并伴有转子横向固有振动。持续碰摩所产生的约束作用可使转子临界转速发生变化,虽然响应幅值降低,但频率成分及转子振动趋于复杂。      

碰摩转子的弯曲和扭转振动分析

建立了一个新型多自由度的转子动静碰摩模型。应用该模型 ,重点研究了动、静碰摩引起的转子弯曲和扭转非线性耦合振动。大量的数值计算表明 ,不同碰摩情况下转子具有不同的弯曲和扭转振动响应。转静碰摩激起转子扭转自振频率振动。提出了从转子扭转振动的变化来诊断转静碰摩故障的方法 ,并探讨了此方法的可行性和有效性。     

对转双转子局部碰摩故障实验

针对航空发动机涡轮机匣的结构特点,设计了一种可以模拟局部碰摩故障的实验装置.利用对转双转子实验器,实验研究了高、低压转子对转时,单独及同时发生局部碰摩的振动特性.结果表明,对转双转子涡轮发生局部碰摩时,静子的振动信号中会出现高倍频、分数倍频及组合频率成分,通过组合频率成分,可以判断是否发生碰摩及碰摩发生的部件.     

突加不平衡激励下高速柔性转子系统振动特性试验

针对航空发动机高速柔性转子系统叶片丢失所造成的突加不平衡激励,基于结构/力学特征等效原则,建立高速柔性悬臂转子系统试验器,对突加不平衡及持续碰摩所产生的附加激励下转子系统振动响应进行试验测试,并对其时域/频域响应特征进行分析。结果表明:突加不平衡瞬时具有显著冲击效应,转子系统瞬态振动响应加剧,并激起转子横向模态振动;转静件之间的持续碰摩会产生约束作用使转子系统临界转速提高,呈现非线性振动,产生谐波振动频率成分。      

双盘转子碰摩的弯曲和扭转振动实验研究

设计了 1个新型多自由度的双盘转子动静件碰摩实验器。应用该实验装置 ,重点研究了转子动、静碰摩后的转子弯曲和扭转振动。实验结果表明 ,转静件碰摩主要激起系统扭转自然频率振动 ;同时 ,弯曲振动复杂。不同情况下的转静件碰摩 ,转子具有不同的弯曲和扭转振动响应。根据转子扭转振动的变化可诊断转静件碰摩故障 ,与理论研究的结果相吻合     

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。     

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.      

基于时频分析的裂纹转子碰摩故障特征研究

为研究转子系统耦合故障特性,采用有限元方法建立了含有横向裂纹、转静碰摩的非线性转子动力学模型。首先研究了不同转速下裂纹、碰摩单一故障下转子系统的振动响应,其次研究了两种故障耦合情况下系统的振动响应特征。采用波形图、FFT谱图、瞬时频率和Hilbert-Huang时频谱(HHS)相结合的方法对故障转子振动信号进行了分析。分析结果表明:运用多种时频分析相结合的方法可以较为全面地了解转子的故障特征,裂纹转子在1/5、1/3临界转速时会发生较为明显的5X、3X谐波,且裂纹的产生会导致响应幅值增大,从而引起更为严重的碰摩。     

航空双转子发动机动静件碰摩振动特征研究

双转子发动机有两个不同转速的转子,因而有两个不同频的激振源,故发生动静件碰摩时发动机的振动特征不同。从理论上分析了这种特征,通过模型转子系统实验验证,并与某航空双转子发动机发生碰摩故障时的实测振动特征相比较,表明理论分析与实测结果有良好的一致性。     

双转子系统碰摩有限元接触分析模型及故障诊断

针对常用碰摩力模型的不足,应用AN SY S软件在求解转静子之间的碰摩力与法向相对位移之间的关系的基础上得到了碰摩力模型,并与整体传递系数法相结合建立转静件碰摩的动力学方程。采用整体传递系数法计算转子系统的动力特性,进而求解双转子系统的瞬态响应。利用时域波形、频谱分析和小波变换对响应进行了分析,得出并分析了相关的故障特征。      

双转子涡扇发动机碰摩振动特征研究

针对某双转子涡扇发动机转子叶片-机匣碰摩振动问题,建立了新型叶片-机匣碰摩的力学模型。将所提出的碰摩模型 应用于某型发动机转子-支承-机匣整机模型中,开展了高压涡轮转子叶片和高压涡轮机匣的碰摩仿真分析。分析结果表明：碰摩 导致整机振动值较大幅度的增大,同时伴随着高压转子倍频和高低压组合频振动成分。对某发动机整机试车振动数据分析表明： 其振动偏大主要是由于工作过程中转子和静子机匣的热变形不协调导致的高压涡轮转子叶片和高压涡轮机匣的碰摩引起的,主 要特征表现为振动总量和高压基频振动的增大,同时伴随明显的高压2倍频振动和高低压组合频振动。仿真分析结果与发动机 实测振动数据基本一致。     

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.      

宽弦风扇叶片造型对碰摩振动的影响规律

基于造型叠加建立了参数化的宽弦风扇叶片模型,利用碰摩动力学研究了叶片造型对于机匣碰摩振动的影响规律。宽弦风扇叶片的复杂几何造型可能会增大碰摩的非线性程度,因此有必要研究叶片几何外型对于碰摩响应的影响。在圆柱坐标系下建立了叶片造型和几何参数间的关系,得到了风扇叶片的参数化模型。利用三次样条拟合简化了叶顶间隙的计算,研究了偏心碰摩工况下基准叶片的振动问题,分析了振动响应、涂层磨损、叶片应力三者间的关联性。基于涂层磨损程度判断不同造型叶片的碰摩特性,实现了针对碰摩-造型相关性的快速分析。计算结果表明:叶根通流角可以显著影响叶身长度,进而改变了叶片固有频率调整碰摩共振的中心频率;叶顶扭转角通过改变最小抗弯刚度方向,可有效减小碰摩共振转速区间;相较于前倾叶片,后倾叶片有着更好的碰摩稳定性。      

应用整体传递系数法分析复杂转子系统转静件碰摩振动特征

整体传递系数法是近年来发展起来的计算大型复杂转子系统动力特性的新方法。本文应用整体传递系数法分别对单转子、双转子系统碰摩故障进行数值模拟,计算碰摩现象的瞬态响应,应用傅立叶变换对振动响应信号进行频谱分析,得出单转子和双转子碰摩故障的频谱特征,并与实验结果对比,得出了较有价值的结论。      

共用支承-双转子系统振动耦合机理及响应特性

针对带有涡轮级间共用承力框架的双转子系统，采用机械阻抗理论定量描述结构质量/刚度分布特征，建立了复杂转子系统振动耦合机理模型，并提出了针对共用支承-双转子系统的振动耦合点确定方法，以及交互激励瞬态响应仿真方法。仿真结果表明：共用支承-双转子系统振动耦合的力学本质，是转子与支承结构振动交互作用下的动力响应耦合，既包括共用支承结构振动基础激励带来的振动耦合力学行为，又包括多转子交互激励下多频率组合的振动响应耦合力学行为。其中基础激励下耦合程度与支承机械阻抗及转子振型有关，转子间交互激励下耦合程度则受被激转子模态振型影响，被激转子刚体模态振型对基础振动敏感，在激励转子作用下更易产生转子交互激励下振动耦合。