涡轮泵准刚性转子的临界转速识别

以Jeffcott转子为对象,从理论上介绍了重力副临界现象。在转轴有限元模型及轴承支承刚度修正的基础上,对某大推力补燃循环液体火箭发动机涡轮泵转子的前两阶临界转速和振型进行了仿真分析。通过高速运行试验,借助重力副临界识别出了转子的前两阶临界转速,并与全转速运行的识别结果及仿真结果进行了对比,1、2阶临界转速识别结果误差分别小于4.74%和6.74%。结果表明,高速运行时角接触轴承滚动体接触状态的轻微变化会引起支承刚度及转子系统动态响应发生变化,导致转子的运行状态波动,因此难以通过全转速范围内的响应数据来精确识别转子的临界转速;低速下滚动轴承—转子系统的运行稳定性较好,采用重力副临界方法通过低速下的运行数据进行转子临界转速的识别(尤其是1阶临界转速识别)具有足够的精度。     

支承总刚度对涡轮泵转子临界转速及稳定性旳影响

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了支承总刚度对临界转速及系统稳定性的影响研究.建立了涡轮泵转子非线性系统的动力学模型,在有安装偏心条件下分别研究了泵端和涡轮端支承总刚度变化对转子系统临界转速和稳定性的影响,给出了失稳转速随支承总刚度的变化规律,为液体火箭发动机涡轮泵转子系统结构设计、诊断与维护提供理论依据.     

液体火箭发动机涡轮泵转子密封系统动力稳定性研究（该文已撤销，具体请见2015年第12期第1458页的撤销声明）

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子密封系统开展了动力学稳定性研究。采用有限元法建立了涡轮泵转子密封系统的动力学模型,研究了安装偏心对转子密封系统稳定性的影响,给出了失稳转速随安装偏心的变化规律,研究了当量密封间隙对涡轮泵转子系统稳定性的影响,分析了当量密封间隙对失稳转速的影响,最后开展了冷吹试验和热试试验研究,为液体火箭发动机涡轮泵转子系统结构设计、诊断与维护提供理论依据。     

结构动态特性仿真在液体火箭发动机中的应用

简要回顾了结构动态特性修改的原理,对某型号发动机涡轮泵转子系统自由-自由边界条件下的模态试验数据,在不同的点上加上弹性支撑模拟实际的边界条件,用结构动态特性修改方法进行仿真,仿真得出的结果与实际边界条件相吻合.并且得出了结构改进的方向.修改后的结果表明,该转子系统的动态特性对涡轮端弹性支撑的位置和刚性很敏感,如果设计不当,有可能使转子的一阶弯曲临界转速落入到工作转速范围内,从而导致同步或次同步振动,并引起结构的破坏.     

轴承位置对涡轮泵转子系统稳定性的影响研究

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了轴承位置对稳定性的影响研究。建立了涡轮泵转子非线性系统的动力学模型,分别研究了理想安装时和非理想安装条件下泵端和涡轮端轴承位置变化对转子系统稳定性的影响,给出了失稳转速随轴向位置的变化规律,为液体火箭发动机涡轮泵转子系统结构设计、故障诊断与安装维护提供理论依据。     

超高转速氢涡轮泵柔性转子动特性仿真分析

以25 tf级膨胀循环氢氧发动机氢涡轮泵为研究对象,针对超高转速氢涡轮泵柔性转子临界转速设计、稳定性控制的难题,采用有限元方法建立转子轴承系统动力学模型,考虑支承结构参与振动、密封流体的刚度及阻尼、支承刚度及阻尼随转速变化等因素的影响,计算分析了设计参数对转子临界转速、稳定性的影响,提出了优化改进方向。仿真分析表明：该氢涡轮泵的转子系统设计方案能够满足临界转速裕度、弯曲应变能控制的设计准则和目标要求;工作转速范围内转子一阶对数衰减率最小值约为0.15,满足稳定性设计准则的最低要求;若要进一步提高转子的稳定性裕度,可适当降低泵端弹性支承刚度,把转子悬臂段的流体密封由齿型结构改为阻尼更大的孔型结构,将对数衰减率提高到0.22以上。     

氢涡轮泵次同步振动问题的试验研究

某型氢氧发动机氢涡轮泵采用了超二阶临界转速工作的柔性转子,为了解决氢涡轮泵研制中发生的次同步振动问题,采用氢涡轮泵空转试验的研究方法,通过布置在涡轮泵机组不同位置的位移和加速度传感器,获取转子的工作信息,对轴系预紧力、密封动环安装位置、轴系相关零件的配合间隙、金属阻尼器等影响因素进行了研究和试验。试验结果表明,增加轴系预紧力对抑制异常频率的出现有较为明显的作用;密封动环的安装位置与轴承的距离越远,越容易激发出异常振动频率;适当增加轴套与轴的配合间隙可减小轴系的内摩擦,进而提高轴系稳定性裕度;金属橡胶阻尼器的采用对抑制异常振动有明显效果。     

随动推力作用下柔性旋转飞行器稳定性分析

针对柔性旋转飞行器动力学问题,考虑了飞行器转速的作用,建立了计入陀螺力矩及随动推力影响的运动方程并分析了系统的动力稳定性问题。将柔性旋转飞行器简化为带有附加质量的非均匀转子结构,考虑陀螺力矩及随动推力的影响,采用剪切变形对轴向位移有影响的Timoshenko梁模型,基于有限元方法建立了运动方程,分析转速、剪切刚度及附加质量等因素对系统稳定性的影响,发现了转速作用下旋转飞行器刚体和弹性体模态耦合的新现象。结果表明：剪切刚度较小时,剪切变形对临界推力有较大影响;附加质量的大小及位置对临界推力和不稳定域有重要的影响;转速一般会诱发非均匀转子系统的弯曲模态与刚体模态合并为一个耦合模态,致使系统产生动态失稳。     

转子刷镀铜工艺技术分析

针对转子轴承配合面尺寸超差影响轴承装配问题,结合零件内腔注蜡、产品工序复杂、加工周期长等特点,拟采用刷镀工艺对轴承配合面尺寸进行修复。通过对刷镀工艺的可行性、可靠性及刷镀工艺参数等技术重点和难点分析,设计及优化了匹配该转子刷镀的工艺参数及工装。经过对转子轴承配合面室温刷镀,满足转子轴承配合面铜镀层厚度要求,修复后的转子轴承配合面尺寸不仅满足要求,同时转子在皮带转速试验中镀层状态表现良好,现已通过水试考核验证了工艺技术的可行性。     

高速永磁电机转子动力学特性研究

针对电机转子中硅钢片叠压及拉杆-叶轮的特殊结构形式,借助有限元方法对硅钢片装配过程进行仿真,获得硅钢片叠压结构横向弯曲刚度随硅钢片离散数目的变化规律,通过曲线拟合外推得到实际硅钢片叠压结构横向弯曲刚度;根据叶轮与转轴对接面的大小,对叶轮进行分割。以质量和刚度等效为原则,实现了硅钢片叠压结构和拉杆-叶轮结构的简化建模,并通过转子部件及整体的自由模态试验对简化分析模型进行了验证。最后通过转子的运转试验对前两阶临界转速的仿真结果进行了验证,前两阶临界转速的仿真结果与试验误差小于3. 1%。     

涡轮泵滚动轴承-转子系统高速运行试验研究

针对涡轮泵转子的具体结构特点,解决了高速运行试验过程中的支承、驱动、轴承润滑冷却、振动测量、转子高速动平衡及轴向力加载控制等问题。结合旋转机械故障诊断技术,提出了高速动平衡效率、转子支承状态及轴向力加载状态的优化方法,并在试验过程中对该优化方法进行了验证,实现了涡轮泵转子的高速稳定运行。结果表明:涡轮泵转子高速运行试验应采用刚性连接的柔性联轴器;涡轮泵转子高速轴承需采用高压直喷式供油;通过平衡效率优化可将非线性振动影响下的转子一次平衡效率由30%提高至73.7%;为避免高速运行时产生基础松动,试验中滚动轴承外环应采用紧配合安装;轴向力应沿轴承周向均匀加载,其大小应根据轴承-转子系统具体结构及运行状态综合分析确定。     

磁悬浮控制力矩陀螺的动框架效应及其角速率前馈控制方法研究

在磁悬浮控制力矩陀螺中,局限于磁悬浮轴承系统的动态响应速度,框架的转动将使转子轴的角位移和轴心跳动量显著增大(动框架效应),甚至碰撞保护轴承,严重影响磁悬浮系统的稳定性。本文建立框架转动时的磁悬浮转子相对运动模型,分析了框架转动对磁悬浮转子的单方向作用,在Simulink仿真的基础上提出一种抑制动框架效应的角速率前馈控制方法。实验结果表明,磁悬浮轴承采用角速率前馈控制后,转子跳动量被抑制到原来的18％,大大提高了控制力矩陀螺磁悬浮系统的稳定性,同时还改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性。     

磁悬浮飞轮优化设计与实验

针对在轨磁悬浮飞轮转子系统,考虑发射主动段振动工况,提出一种基于灵敏度分析的多学科优化设计方法。通过比较分析内、外锁紧方案对锁紧状态飞轮转子系统共振频率的影响,得到了较优的抱式外锁紧方案。在此基础上,对飞轮转子进行灵敏度分析,并选择高灵敏度结构参数作为优化设计变量。考虑其结构强度、转动惯量、控制性能、自由状态和锁紧状态一阶共振频率,以飞轮转子质量最小为优化目标,利用序列二次规划法对其进行多学科优化设计。优化结果表明,在满足发射振动工况下,飞轮转子极转动惯量与质量的数值比达到最大为0.0070,比初始值0.0064提高了9.4%。该优化方法提高了飞轮转子设计的可靠性和效率,其首次在轨实验成功对我国磁悬浮飞轮空间应用具有重要意义。     

50Nms磁悬浮反作用飞轮转子优化设计方法的研究

介绍了一种额定工作转速为-5000rpm-5000rpm，额定角动量为50Nms的五自由度磁悬浮反作用飞轮。利用多学科设计优化软件iSIGHT及有限元分析软件ANSYS，通过序列二次规划法对飞轮转子进行了多学科设计优化研究：以转子质量为优化目标，以转子、静力学、共振频率、转子动力学、角动量、几何尺寸等多学科要求同时作为约束条件进行了优化设计。结果表明，通过多学科设计优化，在满足设计要求的同时，使转子重量达到了最小化（4．09kg），提高了设计效率和设计质量，在航天器姿态控制系统的设计中具有现实意义。     

磁悬浮飞轮用新型异极性永磁偏置径向磁轴承

为满足应用于航天器姿控、储能的磁悬浮飞轮采用的扁平构型或高转速转子需求,提出了一种新型异极性永磁偏置径向磁轴承,具有轴向长度短、结构紧凑的优点,有利于扁平转子或高速转子的磁悬浮控制。在新型径向磁轴承磁路分析的基础上,通过应用于50 Nms反作用飞轮的设计实例,经仿真分析,校验了新型径向磁轴承的基本性能;并与传统同极性永磁偏置径向磁轴承进行了比较,验证了新型径向磁轴承的优点。     

MSCSG转子系统的扩展双频Bode图稳定性分析方法

为分析洛伦兹力磁轴承驱动磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）转子偏转过程中的稳定性,针对现有双频Bode图稳定性判据方法仅适用于最小相位系统的不足,提出一种基于扩展双频Bode图的稳定性分析方法。根据洛伦兹力磁轴承工作原理建立了MSCSG转子偏转系统动力学模型;通过变量重构,将实系数双输入双输出系统等效变换为复系数单输入单输出系统;在分析Nyquist曲线与Bode图关联性的基础上,提出针对非最小相位系统的扩展双频Bode图稳定性判据,对不同转速下MSCSG转子系统稳定性进行预测,并通过转速根轨迹曲线预测转子系统的转速稳定区间。所提出的扩展双频Bode图稳定判据结果与时域仿真校验结果相一致,验证了本文所提出的稳定性分析方法的正确性和有效性。     

A new type of magnetic gimballed momentum wheel and its application to attitude control in space

A new type of magnetically suspended gimbal momentum wheel utilizing permanent magnets is described. The bearing was composed of four independent thrust actuators which control the rotor thrust position and gimbal angles cooperatively, so that the bearing comes to have a simple mechanism with high reliability and light weight. The high speed instability problem due to the internal damping was easily overcome by introducing anisotropic radial stiffness. A momentum flywheel with the 3-axis controlled magnetic bearing displays good performance for attitude control of satellite with biased momentum.