燃气轮机刷丝与平衡盘碰摩的振动故障诊断

针对某型航改燃气轮机压气机机匣振动超限故障,通过时频和振动幅值趋势分析,结合分解检查结果进行了试验验证,发现平衡盘端面与刷环刷丝之间发生碰摩为根本原因,碰摩形式与传统涡轮叶尖与外环块之间的碰摩形式截然不同。通过定性分析发现,激振力主要通过低压涡轮输出轴传递,且因受№1支点的"杠杆"作用,对振动响应进行了放大;碰摩产生的激振力大小主要与引气量和二者间隙相关,刷环刷丝的表面刚性是随引气量变化的变刚度过程,分析了在燃气轮机动力涡轮转速稳定后,压气机动力涡轮基频幅值随燃气发生器转速提高而继续增大的原因,最后得到力学模型和运动方程。     

突加不平衡下GTF发动机转子系统瞬态响应分析

针对GTF发动机低压转子系统突加不平衡瞬态响应问题,基于有限元法建立了考虑啮合单元、行星架单元、膜盘联轴器单元的多体接触、多转子耦合动力学模型,介绍了考虑非线性因素下突加不平衡瞬态响应计算方法,求解了低压转子系统的突加不平衡瞬态响应,并分析了关键部件刚度对突加不平衡的影响规律。结果表明：当风扇转子发生突加不平衡时,各部件均表现为振动幅值突增,后迅速趋于稳定,低压涡轮转子发生明显拍振,突加不平衡载荷主要由行星架结构和第1.5支点刚性支承承担;行星架刚度主要影响风扇转子突加不平衡响应、第1.5支点和行星架处的外传力;膜盘联轴器刚度主要影响增压级突加不平衡响应、转子在突加不平衡之后稳定运转情况。     

基于封严间隙的涡轮盘篦齿综合优化设计

为了降低涡轮盘级间封严发生碰摩的风险,同时保证封严效率不降低和涡轮盘质量不增大,对涡轮盘结构进行优化设计。利用有限元法对稳态下涡轮篦齿径向间隙进行确定性分析,结果表明:3道篦齿的间隙不同;以灵敏度分析的方式确定影响篦齿间隙与涡轮盘质量的关键尺寸,并将其作为优化的设计变量;综合考虑载荷、材料性能、尺寸参数的不确定性和转子不平衡振动进行间隙概率分析,发现第3道篦齿有碰摩的风险;建立以减小前2道篦齿间隙、增大第3道篦齿间隙和不增加涡轮盘质量为约束条件的综合优化模型,并用NSGA-II算法进行计算。优化结果表明:篦齿发生碰摩的风险降低了99.07%,涡轮盘质量减小了0.73%,在不同压比下流量系数减小了5.39%～6.01%,证明该综合优化方法可行。     

某型航空发动机转子不平衡故障的仿真分析

航空发动机故障种类繁多,转子不平衡故障是典型的振动故障之一,对航空发动机转子进行不平衡故障的仿真分析可以为航空发动机的维修工作提供参考依据。本文针对某型航空发动机转子建立简化模型,运用有限元法进行不平衡故障的仿真分析。研究表明,低压转子或者高压转子上存在不平衡故障时,高压涡轮盘振幅最大,其次为低压涡轮四级轮盘;高压转子和低压转子同时存在不平衡故障时,转子系统各部件振幅显著增大。     

带悬臂涡轮盘发动机转子的振动特性及平衡技术研究

在旋转试验器上研究了带悬臂涡轮盘火箭发动机氧涡轮泵转子的振动特性,并在此基础上完成了氧涡轮泵转子的高速动平衡试验.结果表明：氧涡轮泵转子的振动与悬臂涡轮盘的不平衡量密切相关,单面高速动平衡技术对减小悬臂柔性转子的振动效果显著.     

低压涡轮初始不平衡量超限计算分析与排除

针对某型航空发动机低压涡轮转子初始不平衡量超限问题,根据机件形位误差与不平衡量之间的影响关系进行计算分析,得出当支承锥盘与盘片组件间形位误差和低压涡轮盘片组件定位基准误差处于极限值且为不利组合时,引起的转子不平衡量值远大于或接近7500 g·mm限制值。根据计算结果,并按照效率最高原则及科研装配经验,制定了排除低压涡轮初始不平衡量超限流程,实践检验方法有效。研究结果表明:控制转子定位基准误差,减小组合件装配形位误差,根据转子不平衡量数值调整机件间安装相位,是降低和优化转子初始不平衡量的有效手段。     

大涵道比涡扇发动机低压涡轮间隙分析与设计

航空发动机涡轮叶尖间隙的准确分析与合理设计对改善发动机性能有重要意义。对叶尖间隙的影响因素进行了详细分析,并指出在总体结构初步设计中,涡轮叶尖间隙分析和设计需要重点考虑的载荷因素;给出采用NX-NASTRAN进行间隙计算的求解方法和详细步骤;以某大涵道比发动机低压涡轮的间隙分析为例,给出详细的求解过程,求解得到低压涡轮在地面起飞状态等8个工况下间隙变化值为-0.4~1.1 mm,并指出间隙初始值的确定应当主要考虑设计点状态、起飞状态和地面慢车状态。     

某型发动机涡轮叶片断裂故障分析

某型航空发动机进行地面开车时涡轮叶片失效。通过对发动机的分解检查,断裂叶片的冶金分

析,确定低压一级涡轮工作叶片为发动机故障的肇事件,其断裂性质为过载断裂;通过对低压一级涡轮工作叶

片和导向叶片等零件间隙的计算分析,加工过程复查、疲劳试验及相关尺寸链计算,并采用故障树法对叶片断

裂原因进行了系统分析,确定低压一级涡轮工作叶片断裂是其与低压一级涡轮导向叶片之间产生轴向碰磨引

起的;该发动机在厂内试车时多次喘振引起一级导向器内机匣和定距半环局部变形,造成低压一级工作叶片与

导向叶片在上缘板处的轴向间隙消失是轴向碰磨产生的原因。针对故障原因,制定了控制气动稳定性检查次

数,控制各级涡轮工作叶片上下缘板端面轴向错移量,改进定距半环,控制定距半环与涡轮机匣安装槽轴向间

隙,试车后检查低压涡轮后轴承外环跑道痕迹宽度等改进措施。

     

同向旋转盘间换热特性的实验研究

本文将实际发动机高、低压涡轮盘简化成几何形状相对简单的中心轴向进气、径向出气、两盘以不同速度同向旋转的旋转盘系统。用实验方法研究了冷气流量、转速以及两盘间隙对旋转盘间换热的影响规律,并对结果进行了相应的分析。     

发动机轴承内环装配工艺对转子动力学特性影响的试验研究

试验研究航空发动机高压涡轮后支点轴承内环的装配工艺对转子支承系统振动特性的影响。改变转子轴承内环和内环衬套的配合公差与轴承内环锁紧螺母拧紧力矩,研究以上参数与转子支承系统振动响应的关系。结果表明:间隙配合和较小的锁紧螺母拧紧力矩给转子系统带来较强的非线性性,转子支承处出现丰富的分数倍频成分;过盈配合时转子振动对内环锁紧螺母拧紧力矩改变不敏感;间隙配合时,较大的锁紧螺母拧紧力矩可以抑制转子支承处的分数倍频成分。     

低压涡轮动叶叶顶间隙泄漏流动特性数值计算

为了获得低压涡轮动叶叶顶间隙泄漏流动特性,采用数值方法研究带冠动叶叶顶间隙对低压涡轮级气动性能的影响。 对试验测量的扇形带冠叶顶叶栅气动性能进行数值计算,得到的叶栅总压恢复系数与试验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠 性。对没有间隙和3 种动叶叶顶间隙条件下低压涡轮级的气动性能和动叶叶顶间隙泄漏流动特性进行对比分析。结果表明：带冠动 叶叶顶间隙增大导致转子叶尖的出口气流角增大和叶顶间隙泄漏量增加;涡轮级气动效率降低和叶顶间隙泄漏量增加与带冠动叶 叶顶间隙增大呈近似线性变化;在相同叶顶间隙条件下,出口马赫数对叶顶间隙泄漏量的影响较小;随着涡轮级出口马赫数的提 高,出口气流角度减小。     

油膜轴承的高速双悬臂转子随机不平衡振动特性实验

建立了含圆瓦轴承的双悬臂转子系统动力学模型,分析了不平衡激励与系统动力学响应的关联。采用升速和定速实验分别研究悬臂圆盘不平衡典型组合下幅值大小、轴向位置和相位差对跨2阶临界转速转子系统振动响应的影响。结果表明:右盘不平衡对1阶振动敏感,而左盘不平衡则对2阶敏感;同相比反相不平衡激发倍频成分丰富,且能抑制12分频;适量不平衡可引发转子振幅超过联轴器许用误差补偿值而导致“共振高频带”现象。      

含油膜轴承的高速双悬臂转子随机不平衡振动特性实验

建立了含圆瓦轴承的双悬臂转子系统动力学模型,分析了不平衡激励与系统动力学响应的关联。采用升速和定速实验分别研究悬臂圆盘不平衡典型组合下幅值大小、轴向位置和相位差对跨2阶临界转速转子系统振动响应的影响。结果表明:右盘不平衡对1阶振动敏感,而左盘不平衡则对2阶敏感;同相比反相不平衡激发倍频成分丰富,且能抑制1/2分频;适量不平衡可引发转子振幅超过联轴器许用误差补偿值而导致"共振高频带"现象。     

涡轴发动机空中停车故障分析与验证

针对航空涡轴发动机在使用过程中发生的空中停车故障,通过对损伤件及其断口进行宏观和微观检查、金相组织观察、化学成分分析,以及损伤件的温度分析和磨痕对比,确定了首断件。结合发动机参数分析和质量复查,查明故障原因为发动机返厂检修重新装配时,前篦齿封严环与导流盘在规定的压紧螺母拧紧力矩下轴向压缩量偏小,在高转速状态出现轴向间隙,前篦齿封严环松动;前篦齿封严环与静子封严环径向间隙不均匀,切向摩擦力增大造成前篦齿封严环与导流盘相对转动而剧烈摩擦,局部温度升高,导流盘破裂,导致发动机空中停车。通过计算和螺母拧紧力矩试验进一步研究了故障机理,并针对故障机理开展部件和整机模拟试验,复现了故障现象。     

航空发动机轴承外环装配工艺引起的转子系统非线性振动

针对某型航空发动机涡轮后支点轴承外环装配工艺参数的特点,实验研究了轴承外环与衬套配合为过盈配合、间隙配合和过渡配合时的转子振动特性;同时研究了温度场和外环拧紧力矩参数对配合关系的影响而导致的转子振动特性变化.结果表明:轴承外环与衬套为间隙配合时,引起发动机振动出现次谐波、高倍频和1阶非线性共振;外环锁紧螺母力矩增大只对外环是间隙配合时的振动有抑制作用;轴承座的温度场可导致轴承外环与轴承座的过渡配合变为间隙配合,并影响振动特性.     

封严间隙对盘缘密封性能影响的数值研究

通过对真实工况下高压涡轮的盘缘封严进行三维数值模拟,研究了3种不同轴向间隙和径向间隙对封严效率和盘腔内流场变化特性的影响规律,结果表明:针对复合封严结构及研究参数范围,由于静盘封严环将盘腔划分为封严外容腔和封严内容腔,而封严外容腔可以有效地将主流燃气阻隔在内,因此封严内容腔具有较高的封严效率。当轴向间隙增大时,封严环轴向重合度会逐渐减小,同时冷气出流阻力降低,盘腔的封严效率因而提高。当轴向间隙一定径向间隙逐渐减小时,封严外容腔径向距离减小,此时盘腔低半径处封严效率升高。     

航空发动机双转子系统“临界跟随”现象的机理及影响

为了探明“临界跟随”现象导致航空发动机振动居高不下的产生机理,建立了考虑中介轴承的双转子动力学模型,推导了双转子发生“临界跟随”现象时参数之间的关系,分析了“临界跟随”状态下转子系统的动力学特性。结果表明:“临界跟随”现象会导致转子系统无法越过盘偏摆振型临界转速,造成转子振动对不平衡质量分布极其敏感,其主要影响因素为盘极转动惯量与直径转动惯量的比值(简称惯量比)以及双转子增速比;当高压盘等效惯量比等于1,或增速比与任意低压盘惯量比相等时,转子系统表现出高压激励条件下的“临界跟随”特征;当低压盘惯量比等于1,或增速比与高压盘等效惯量比的乘积等于1时,转子系统表现出低压激励条件下的“临界跟随”特征。提出了必须严格控制航空发动机叶盘的等效惯量比以及双转子转速控制律的设计建议。      

旋转盘腔盘罩间隙比的敏感性分析

为保证寿命限制件之一的涡轮盘满足适航性要求,采用单向流固耦合(fluid structure interaction,简称FSI)数值方法,研究转静系旋转盘腔盘罩间隙比的变化对转盘安全性的影响机理.并且,由流阻、换热效果和应力分布三方面构成的工程评价体系对盘罩间隙比的影响进行评价以及敏感性分析.结果表明:盘罩间隙比的变化能够影响旋转盘腔内流动结构的强度,从而改变盘面换热效果和转盘温度分布,导致与温度梯度相关的热应力也发生变化.随着盘罩间隙比的增加,旋转盘腔的流阻损失基本不变,转盘迎风面平均换热效果呈现先增强后减弱的趋势,转盘整体应力水平上升,以及出现在盘心处的最大等效应力值增大.盘罩间隙比的变化能够从材料许用应力和实际使用载荷两方面影响涡轮盘的失效概率,因此,在涡轮盘腔设计阶段,需考虑盘罩间隙比对涡轮盘安全性的影响.      

带挤压油膜阻尼器双盘转子的参数变化对系统响应的影响

研究了涡轴发动机模拟低压转子的动力学响应随系统参数的变化.首先基于涡轴发动机模拟低压转子,建立了弹性支承-两端带挤压油膜阻尼器的双盘转子动力学模型,推导了其运动微分方程.对于这个12维的动力学方程组,采用数值方法进行了求解.研究了转速、两盘偏心及其相位角、两盘质量比等对系统响应的影响.由计算结果可以看出,中间盘和外伸盘的相位差为π时,两个盘的振动响应都达到最小,而当两个盘的偏心相位相同时,其振动响应最大.中间盘的质量越大,两个盘的响应会越大;而当中间盘比外伸盘质量小很多时,系统的振动响应会降低.      

柔性转子-挤压油膜阻尼器系统中非协调涡动轨道的实验研究

本文以实验为基础分析了在柔性转子——挤压油膜阻尼器系统中出现非协调涡动轨道的可能性及规律性;研究了系统参数(如油膜的径向间隙比、承载长度、不平衡量及定心弹簧刚度等)对非协调涡动轨道的影响以及非协调涡动轨道与转子振动之间的关系。