弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证

 弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ER)是本文提出的一种有别于传统挤压油膜阻尼器的新型无油润滑转子弹性支承阻尼结构,其支承刚度主要来源于弹性环和金属橡胶,并利用金属橡胶阻尼元件提供结构阻尼。该结构具有良好的线性支承刚度且对转子振动阻尼减振效果明显,其限幅凸台限制转子系统可能出现的过大振幅,保证系统安全可靠。本文对该种弹性阻尼支承结构进行结构和动力学设计,并通过刚度阻尼性能仿真计算以及相应的试验进行验证,结果表明:在准静态试验中,阻尼器的组合刚度在大变形范围内具有良好的线性特征且具有稳定的阻尼性能;在动态试验中,结构动刚度随激振频率的增加而减小,在宽频域内具有较大的阻尼系数。     

磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承转子系统的动态性能

将磁悬浮轴承支承在金属橡胶环上,构成磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转实验系统.通过理论分析、试验模态分析以及系统高速旋转实验研究了金属橡胶环对系统动态性能的影响.研究结果表明,增加合适支承刚度及支承阻尼的金属橡胶环可以明显降低转子在第一阶弯曲模态频率处的振动,减轻磁悬浮轴承为抑制转子弯曲振动所付出的代价,有利于系统平稳越过第一阶弯曲临界转速.      

用于转子系统的气膜密封阻尼结构稳态特性

针对航空发动机转子既转动又进动的运转情况,推导用于转子系统的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构(gas film seal damper,GFSD)雷诺方程.基于GFSD运动方程和位移协调关系,建立转子－气膜－金属橡胶三者之间的流固耦合关系,确定稳态压力场求解流程,并提出金属橡胶刚度的定量设计方法.采用有限差分法求解稳态压力场,研究GFSD工作参数和结构参数对稳态特性的影响,为GFSD结构参数设计提供参考,最后与直通式篦齿封严的泄漏量进行比较.结果表明:合理设计金属橡胶刚度能够使GFSD自适应地调节气膜间隙;在保证动压润滑的基础上,选取大长径比、小金属橡胶刚度和密封间隙能够使GFSD具有良好的稳态特性;GFSD的泄漏量远小于直通式篦齿封严,能够满足现代航空发动机中高进出口压比下的封严需要.      

航空发动机转子挤压油膜阻尼器设计方法

将挤压油膜阻尼器设计与转子动力学设计相结合,建立了航空发动机转子挤压油膜阻尼器设计方法和设计流程.转子参数为转子阻尼、临界转速配置、最大不平衡量、转子振动峰值,以及支承外传力等,挤压油膜阻尼器设计参数为轴颈偏心率、油膜半径间隙、油膜长度和鼠笼刚度.设计目标是控制转子临界峰值和支承外传力.其中转子阻尼与最大不平衡量为挤压油膜阻尼器设计的关键参数.利用一实验器,对该设计方法进行了数值仿真和实验验证,结果表明:转子振动响应临界峰值减振比例可达60%以上,说明所建立的设计方法是正确有效的,可为挤压油膜阻尼器设计提供指导.      

带气膜阻尼结构振动特性的理论研究

针对航空发动机气膜阻尼的结构设计需求,基于挤压间隙流理论和能量方程建立气膜阻尼的力学模型,由此获得气膜阻尼结构的等效刚度系数和等效阻尼系数,通过振动方程的理论推导获得放大因子的表达式.结果表明:气腔厚度、气腔初始压强、吸振薄板模态频率和安装位置是影响减振效果的关键参数.气腔最优厚度主要由附面层厚度和实际振动频率决定,需结合实际情况确定气腔厚度,以最大程度降低振动响应;气腔初始压强越高,阻尼系数越大;吸振薄板的固有频率应尽可能与叶片本体接近,并且安装在本体振动响应最大位置,以取得最好的减振效果.      

挤压油膜阻尼器转子系统突加不平衡瞬态响应分析

针对发动机转子在运转时可能发生叶片脱落故障,搭建了带挤压油膜阻尼器双盘转子模拟叶片脱落的转子实验台。对转子系统实验装置进行合理简化,利用仿真软件和实验测试验证了模型的合理性与有效性。仿真分析了转子系统参数和油膜参数对突加不平衡瞬态响应特性的影响。结果表明,油膜间隙、油膜长度和支承刚度比都会对加速响应特性产生影响,其中油膜间隙与振动响应幅值呈正相关,油膜长度与之呈负相关,支承刚度比与之关系不定;合理选择参数取值能够提升转子系统稳定性。     

航空发动机转子-滚动轴承-支承-机匣耦合系统的碰摩故障分析与验证

针对实际的航空发动机转子系统,建立了含碰摩故障的转子-滚动轴承-支承-机匣耦合动力学模型.在模型中,考虑了机匣运动,弹性支承、挤压油膜阻尼,充分考虑了轴承间隙、滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及由滚动轴承支撑刚度变化而产生的变柔性(VaryingcomplianceVC)振动.运用数值积分方法获取了系统响应,并建立带机匣的航空发动机转子实验器进行碰摩故障实验,仿真结果与实验结果比较分析表明了模型的有效性.      

三支承磁悬浮轴承转子系统性能的实验分析

在一般磁悬浮轴承转子系统的基础上增加辅助磁悬浮支承组件,构成磁轴承与辅助磁悬浮支承组合三点支承转子系统。通过试验模态分析和系统高速旋转实验研究了不同控制参数下,组合支承柔性转子系统的动态性能,并与二支承系统进行了比较。实验结果表明,辅助磁悬浮支承对系统性能有较大影响,提高了系统在各阶模态振动时的阻尼,使系统顺利越过二阶弯曲临界转速在16000rpm以上稳定运行。     

涡轮泵转子的临界转速研究(Ⅰ)均匀支承转子临界转速的传递矩阵法

根据转子振动时的受力和位移状况,分别导出轴、盘和支承的传递矩阵,再根据转子的结构布局导出频率和振幅等的计算方程,可求得转子的各阶临界转速及振幅。传递矩阵法对转子的不同布局方案运用十分方便灵活。还给出了减振阻尼、支承弹性的组合刚度计算方法。计算表明,支承的弹性、阻尼和质量对转子的振动特性（临界转速和振幅）有重大影响,转子与支承的匹配对转子的振动特性能起调节控制作用。     

涡轮泵转子的临界转速研究──(Ⅰ)均匀支承转子临界转速的传递矩阵法

根据转子振动时的受力和位移状况,分别导出轴,盘和支承的传递矩阵,再根据转子的结构布局导出频率和振幅等的计算方程,可求得转子的各阶临界转速及振幅,传递矩阵法对转子的不同布局方案运用十分方便灵活,还给出了减振阻尼,支承弹性的组合刚度计算方法,计算表明,支承的弹性,阻尼和质量对转子的振动特性（临界转速和振幅）有重大影响,转子与支承的匹配对转子的振动特性能起调节控制作用。     

浮环挤压油膜阻尼器对模拟低压转子突加不平衡响应影响分析

为了研究浮环挤压油膜阻尼器对涡轴发动机模拟低压转子突加不平衡响应的影响,建立了考虑多种耦合的带浮环挤压油膜阻尼器模拟低压转子的动力学模型,推导其运动方程并采用数值方法进行了求解,分析了系统响应随浮环与轴承质量比值、支承刚度和油膜间隙等设计参数的变化.研究表明:相比传统挤压油膜阻尼器,浮环挤压油膜阻尼器更好地抑制了转子系统加速过临界时的瞬态响应以及稳速和升速过程中的突加不平衡响应;增大浮环与轴承质量比值、减小弹性支承刚度和挤压油膜间隙,能够更好地抑制突加不平衡响应的瞬态振幅和瞬态过程;转子系统由于油膜非线性引起的双稳态大振幅区会随浮环与轴承质量比值的增大而减小,而随挤压油膜间隙值的减小而增大.      

转子系统挤压油膜阻尼器设计与动力特性

鉴于挤压油膜阻尼器(SFD)设计必须要同时考虑转子系统的动力学特性,提出了一种转子系统与挤压油膜阻尼器耦合设计方法,给出了详细的设计流程。对所设计的阻尼器进行了CFD数值模拟、油膜压力测量以及减振效果实验,结果证明所提出的设计方法是有效的。相比未采用阻尼器,采用阻尼器后转子系统两个转盘的振幅分别下降了46%和39%。通过实验还研究了不平衡量、支承刚度、供油压力和滑油温度对挤压油膜阻尼器减振效果的影响。结果表明,相比于不平衡量和支承刚度对减振效果的影响,供油压力和滑油温度的影响并不显著。进行挤压油膜阻尼器设计时,重点应该关注转子上的不平衡量大小和支承刚度。     

带有挤压油膜阻尼器的转子系统动力学相似设计

针对航空发动机中常见的带有挤压油膜阻尼器(SFD)转子的动力学相似问题,建立了一种相似建模方法。从带有阻尼的转子的振动微分方程着手,通过方程分析法推导了转子振动过程中的不平衡力相似关系和阻尼力相似关系。以挤压油膜阻尼器的油膜力和油膜方程为基础建立了挤压油膜阻尼器参数与转子相似参数之间的数学关系,并给出了相应的工程设计方法。以某带有挤压油膜阻尼器的单转子系统为例,建立了带有挤压油膜阻尼器的相似转子系统,使用有限元法分析了该转子系统与其相似系统的动力学特性,分析结果显示：在仅考虑转子系统内挤压油膜阻尼器阻尼的情况下相似系统的不平衡响应与原转子系统不平衡响应误差低于1%。     

简单转子系统油膜稳定界限的计算分析

对简单转子支承系统的油膜稳定区进行了计算研究.通过建立包含支承阻尼和转子外阻尼在内的弹性支承滑动轴承系统模型,计算了该转子系统的油膜稳定界限,并对稳定界限进行分析,讨论了提高转子系统稳定性的措施.分析结果表明:减小转子系统的刚度,是提高系统油膜稳定性的有效办法.     

浮环式挤压油膜阻尼器的减振机理

为了进行浮环式挤压油膜阻尼器减振机理的研究,借助于挤压油膜阻尼器的雷诺方程,根据浮动环与轴颈之间的相对运动,进行了浮环式挤压油膜阻尼器的建模.通过仿真计算,得到浮环式挤压油膜阻尼器转子系统和双向激励试验系统的位移响应,进行了浮环式挤压油膜阻尼器的减振机理研究.结果表明:浮环质量越大、油膜间隙越小、油膜宽度越大或者滑油黏度越大,则浮环式挤压油膜阻尼器具有越好的减振性能,反之,则越差.      

Nonlinear vibration response characteristics of a dual-rotor-bearing system with squeeze film damper

Rolling bearing and Squeeze Film Damper (SFD) are used in rotor support structures, and most researches on the nonlinear rotor-bearing system are focused on the simple rotor-bearing systems. This work emphasizes the comparative analysis of the influence of SFD on the nonlinear dynamic behavior of the dual-rotor system supported by rolling bearings. Firstly, a reduced dynamic model is established by combining the Finite Element (FE) method and the free-interface method of component mode synthesis. The proposed model is verified by comparing the natural characteristics obtained from an FE model with those from the experiment. Then, the steady-state vibration responses of the system with or without SFD are solved by the numerical integration method. The influences of the ball bearing clearance, unbalance, centralizing spring stiffness and oil film clearance of SFD on the nonlinear steady-state vibration responses of the dual-rotor system are analyzed. Results show that SFD can effectively suppress the amplitude jump of the dual rotor system sustaining two rotors unbalance excitations. As the ball bearing clearance or unbalance increases, the amplitude jump phenomenon becomes more obvious, the resonance hysteresis phenomenon strengthens or weakens, the resonant peaks shift to the left or the right, respectively. SFD with unreasonable parameters will aggravate the system vibration, the smaller the oil film clearance, the better the damping performance of the SFD, the larger the centralizing spring stiffness is, the larger resonance amplitudes are.     

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。     

电磁轴承支承的柔性转子在轴承失效后坠落过程中的瞬态响应

研究了主动电磁轴承支承的单盘柔性转子系统在磁轴承失效后转子坠落在带有固定间隙的滚动型备用轴承上的瞬态响应,分析了备用轴承的各种参数对瞬态响应的影响。结果发现系统出现了以自由落体-碰撞弹起-自由落体为特征的在间隙圆底部的摆动运动、以碰撞弹起-加速落体-碰撞弹起为特征的在整个间隙圆范围的碰撞型回转运动以及轴颈与备用轴承始终接触在一起的摩擦型回转运动等3种运动形式。碰撞型回转运动实际上是由碰撞过程中部分周向的摩碰引起,而摩擦型回转运动是由轴颈与备用轴承之间的全周干摩擦所致。碰撞型回转运动和反向摩擦型回转运动对备用轴承的影响最为严重。