某实际发动机篦齿封严装置振动特性和稳定性分析

篦齿式封严装置是一种非常有效的非接触密封装置,在航空燃气涡轮发动机等叶轮机械中得到广泛应用。随着航空发动机性能的提高,篦齿封严装置的振动故障问题愈发突出,颤振、声固耦合及振型协调等振动故障发生的可能性越来越大。本文针对某实际航空发动机的篦齿封严装置,对其进行了振动特性和气弹稳定性分析,有较强的工程实际意义。      

航空发动机篦齿封严特性数值模拟

本文运用数值计算方法,从分析齿腔内流场和篦齿顶板换热的角度研究了篦齿的封严特性。通过多种工况的计算,分析了雷诺数和齿顶宽与齿隙之比（T／C）对篦齿腔内流动、压降损失以及齿腔顶板换热系数的影响。计算数据和实验数据吻合良好,误差较小。研究表明：雷诺数、齿顶宽与齿隙之比影响着齿腔内部流动和换热的状态,是决定篦齿封严效果的主要因素。     

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

指尖封严的转子轴心轨迹与泄漏特性的试验

对间隙、过渡、过盈3种配合状态的指尖封严组件的转子轴心轨迹和泄漏特性进行了试验.转子的轴心轨迹采用电涡流传感器进行测量,其测量结果表明:转速越大,转子轴心的偏移越小;在不考虑磨损的情况下轴心偏移对配合状态基本没有影响.由此确保了封严试验台的安全性和有效性.在此基础上,试验研究了转子转速、上下游压差以及封严间隙对泄漏特性的影响.结果表明:泄漏系数随转速增加略有减小;过渡和间隙配合时,在压差小于0.3MPa时泄漏系数随压差增加而增大,压差达到0.3MPa后,泄漏系数趋于平缓;过盈配合时压差对泄漏系数没有明显的影响;泄漏系数随封严间隙的减小而减小,随过盈量的增大而减小.      

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.      

指式封严结构中气流流动与传热特性分析

研究了指式封严结构中气流流动与传热特性。将封严组片区域视为多孔介质,以摩擦热为热源,建立计算模型。计算结果表明：封严区域最高温度出现在指尖靴后部与转子摩擦接触面;在压差和转速一定时,封严区域最高温度随安装过盈量的增大而升高;在过盈量和压差一定时,最高温度随转子转速的增大而升高;但随着压差的增大,结果与之相反。研究结果可为指式封严的结构设计和接触副材料选择和安装方式提供参考。     

航空发动机封严技术的研究和应用进展

叙述了封严技术的基本原理、发展历程、在航空发动机上的应用情况,介绍了新型封严技术的研究进展、推广应用以及发展趋势。     

典型燃气发生器转子平衡状态与振动特性分析

针对某型涡轴发动机整机试验中出现的振动过大现象,通过建立考虑低速动平衡的刚性转子系统动力学方程,求解低速动平衡后刚性转子的动力学响应,对涡轴发动机典型燃气发生器转子平衡状态与振动特性进行分析。介绍了该型发动机整机试验中出现的振动过大现象及后续的排查措施,分析了该类转子振动模态特性与激振载荷的关系,建立了该类转子在不平衡状态下的动力学分析模型,对2种初始不平衡状态的转子振动响应进行了仿真计算。结果表明:对于该类涡轴发动机典型燃气发生器转子,当离心叶轮处存在较大初始不平衡时,转子的低速动平衡虽能较好地控制其前2阶振动,但会加剧其在大转速时的振动,特别是转子第3阶弯曲型临界转速裕度不大时,应当特别重视。     

轮缘封严气流与转子干涉损失机理的数值研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流与下游转子的干涉机理和损失机制,在不同封严流量下,针对轮缘封严气流对下游转子气动性能和流场分布的影响进行了数值模拟。结果表明,随着封严流量增加,涡轮级效率不断降低。在轮毂到10%叶高和30%～60%叶高,流量系数增加。封严气流主要通过在转子进口封严出流不同的分布和在通道输运过程中与转子通道二次流的交互作用对转子的气动性能产生影响。同时,封严气流引起下游转子气动性能的降低,存在三个损失机制:一是封严腔体摩擦泵效应减弱,增加了封严出流与主流之间周向速度差所引起的粘性剪切损失;二是不同分布的封严出流造成进气负攻角和堵塞效应,降低了转子的做功能力;三是不同分布的封严出流在输运过程中与转子通道二次流的交互作用,导致了二次流损失加剧。     

考虑螺栓联接的转子系统振动特性分析

针对航空发动机转子振动问题,开展了螺栓法兰联接结构对转子固有特性及不平衡响应的研究。基于有限单元法,结合转子有限元模型及螺栓法兰联接结构的力学模型,建立了考虑螺栓法兰联接的转子动力学模型。基于Newmark-β法求解转子不平衡响应及固有特性,并利用ANSYS仿真软件对结果进行了仿真验证,得到了联接结构刚度对转子固有特性的影响规律。研究结果表明:转子第1阶固有频率对螺栓法兰结构的轴向刚度变化较为敏感;第2阶固有频率对螺栓法兰结构的径向刚度变化较为敏感;第3阶固有频率则对螺栓法兰结构的2种刚度变化均较为敏感;并且转子处的联接刚度会对转子的不平衡响应有一定抑制作用。     

耐海洋环境腐蚀的航空发动机封严涂层技术及其发展

对耐海洋腐蚀热喷涂可磨耗封严涂层在航空发动机领域的应用进行了论述,重点介绍航空发动机用热喷涂涂层的海洋气氛电化学腐蚀机理及相应涂层结构与材料设计等防护方法,提出了未来航空发动机用耐海洋腐蚀热喷涂封严涂层的发展方向.     

机动飞行下机载磁悬浮转子振动响应

为了探究机动飞行对机载磁悬浮转子振动响应的影响,建立了飞机机动飞行下柔性转子的运动微分方程和磁悬浮轴承模型,使用基础运动的6个参数描述了飞机转弯和俯冲拉升2种机动飞行的完整过程,对1个磁悬浮轴承支承的单盘柔性转子进行了振动响应数值计算分析。仿真结果表明：采用比例-微分控制的磁悬浮轴承转子系统在飞机转弯和俯冲拉升时,转子进动中心会随着机动飞行过程发生偏移,转子振动增大,可能与磁悬浮轴承发生碰摩故障;采用比例-积分-微分控制时,磁悬浮轴承可以以增大控制电流为代价减小机动飞行对转子振动的影响。为了实现磁悬浮轴承在航空发动机等机载旋转机械上的应用,在磁悬浮转子系统设计时要充分考虑机动飞行对振动响应的影响。     

篦齿封严结构气弹稳定性数值分析

针对航空发动机中篦齿封严装置的气弹稳定性问题,用所发展的气弹稳定性分析的能量法,考查了两种不同的篦齿封严结构模型的颤振特性,对比分析了在不同节径振动下的气动功分布和模态气动阻尼比。结果表明:能量法可以用于预测篦齿封严结构的气弹稳定性,通过数值计算给出了改进前后篦齿封严结构低阶振动模态的气动功和模态气动阻尼比,改进后的篦齿结构在2节径振型下不再发生颤振,说明改进后的结构比改进前的气弹稳定性更好。      

某型涡轮轴发动机轴流压气机转子振动特性分析

通过增大叶片径向尺寸 ,减少叶片数量 ,对涡轮轴发动机整体式轴流转子做了结构改进 ,并采用DA SOBD有限元程序对因结构改进引起的叶轮振动进行了分析     

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。     

转静态封严篦齿流场的数值分析和封严特性的试验

采用标准k-ε模型及RNGk-ε模型验证了前人的试验结果,最大误差分别为2.5%,15.9%。对4道、7道环型直通式篦齿,在转静状态下采用非结构化网格和SIMPLE算法,求解了不同转速的速度场和压力场;并试验研究了不同转速、齿数工况的封严效果,探讨了篦齿前后压比与泄漏系数的变化关系。表明转速对篦齿封严的影响不明显,变化幅度在3.6%;低压比情况下,随着压比增大,在相同泰勒数变化范围内,泄漏系数略有增大。      

压气机转子错频叶盘结构振动响应分析

利用三维叶轮机械气动弹性分析软件AEAS,对某压气机转子错频叶盘结构进行了振动响应分析,比较了各计算参数、错频量对数值仿真精度和效率的影响。结果表明,谐响应分析和瞬态响应分析,可得到错频叶盘结构各叶片的瞬态位移或动应力响应,进而获得各叶片的位移放大因子。通过研究错频对叶盘结构振动响应的影响,可指导错频叶盘的结构设计,并为降低由失谐导致的航空发动机叶盘结构高循环疲劳失效提供依据。     

基础振动对转子系统动力特性影响的试验研究

为了满足航空发动机转子系统的动力学设计需求,采用试验方法研究基础的振动幅值和振动频率对转子系统横向振动的影响。结果表明,基础振动对转子动力特性的影响具有方向正交性,基础的水平振动仅影响转子的水平振动响应。转子与基础产生振动耦合,其轴心轨迹的形状和大小受基础振动幅值和频率共同影响,转子振动幅值随基础振幅增加而线性增加,随频率的增加呈二次函数增长,振幅比最大可以达到4。由于基础过大的振幅或频率会带来轴心轨迹的复杂变化,导致振动响应过大,在航空发动机的转子动力特性设计中,必须考虑和有效控制基础的振动幅值和频率,以降低转子系统的振动响应。     

转子支承不对中故障建模与机理分析

针对工程实际所出现的不对中现象,建立了一个转子支承不对中故障的通用模型。将任意形式的联轴器在径向刚度和角向刚度等效的前提下简化为1个等效模型,该模型与实际的总体径向刚度和角向刚度等效,依据实际联轴器刚度计算得到等效模型参数;根据等效联轴器模型推导出转子系统由于连接对角向位置的不均匀、连接刚度的差异性和非线性等不确定性因素所产生的不对中激励力,基于此建立含转子支承不对中故障的转子-支承耦合动力学模型。通过故障仿真分析得到转子支承不对中故障激励下的振动特征,通过数值仿真验证了平行不对中和角度不对中故障的2倍频和4倍频现象,以及由于角度不对中产生的1倍频轴向振动现象。利用含套齿联轴器的3支点转子故障模拟试验器进行了特征转速下多种不对中工况的振动响应试验,通过比较仿真结果的精度达到85%以上,表明所提出的转子支承不对中故障通用模型的正确有效性。     

具有局部非线性刚度的复杂转子系统动力学模型及振动特性分析

为了更加精确地预测航空发动机高速柔性转子系统振动响应,为整机振动抑制提供技术支撑,以实际航空发动机转子系统为对象,对其主体结构特征及其连接结构所引起的弯曲刚度非线性特征进行了论述,在此之上建立了其动力学模型。针对这种具有局部非线性刚度的复杂转子系统动力学模型,结合FFT和Broyden迭代方法发展了一种数值谐波平衡法,通过频域方程中的自由度缩减,降低了方程规模,大幅度提高了求解效率。将该方法应用于试验转子的动力特性求解,结果表明:本文方法相比经典数值积分方法可以节省10倍以上时间。采用此方法对涡扇发动机低压转子系统在局部非线性刚度下的动力响应规律进行了分析,论证了论文方法的工程适用性。