轴承支承总刚度对液体火箭发动机涡轮泵转子系统稳定性影响研究

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支承总刚度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,分别研究了没有安装偏心和存在安装偏心条件下泵端和涡轮端轴承支承总刚度变化对转子系统稳定性的影响,给出了失稳转速随支承刚度的变化规律.研究表明:泵端轴承支承总刚度对稳定性影响较大,涡轮端轴承支承总刚度对轴系的稳定性影响较小.     

高速永磁电动机气体轴承-转子系统振动特性

结合45kW高速永磁同步电动机试验装置及系统,研究了轴承供气压力和升速率对轴系稳定性的影响.针对升速过程中的分岔图、频谱图以及轴心轨迹等特征进行分析,发现高速永磁电动机中存在低频振动的特性.试验结果表明:通过调整轴承供气压力,转子升速的分岔点由18400r/min推迟到38900r/min,并消除了38900r/min以下的半速涡动;改变升速率(升速率由825(r/min)/s变为660(r/min)/s),转子通过临界时工频幅值从95μm降低到75μm.      

波箔型径向气体箔片轴承-转子系统升降速动态特性试验

为了研究以波箔型径向气体箔片轴承为支承的轴承-转子系统动力学特性,专门设计了波箔型径向气体箔片轴承试验台,质量为0.458kg的转子在该试验台上实现了超过80000r/min的运转速度.径向轴承为波箔型径向气体箔片轴承,止推轴承为多叶箔片轴承.试验结果表明:波箔型径向气体箔片轴承能够实现转子高速运行,在转子起飞后具有良好的运行稳定性,其轴承支承处振动位移幅值一直维持在20μm之内.由于驱动涡轮受到不平衡气流力的作用,转轴升速时的起飞转速要高于降速时的起飞转速.      

轴承配置对转子轴系振动特性的影响

以三支承转子轴系为研究对象,采用有交互作用的正交试验法,分析轴承位置对转子轴系振动特性的影响,找出轴承位置的优选组合及对振动影响的主次顺序。将简化的转子轴系模型导入ANSYS Workbench中,分别对不同轴承位置下系统临界转速附近振动情况进行仿真分析,以前3阶中正涡动状态下的最小振动变形量为目标参数,得出了轴承位置变化同目标参数之间的关系。结果表明:轴承Ⅰ×Ⅱ的交互作用会对轴系的振动特性产生较大影响,轴承Ⅰ的位置对轴系的振动特性的影响最大,轴承Ⅲ的位置对轴系的振动特性影响相对较小。      

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.      

滑动轴承-转子系统的稳定性研究

根据滑动轴承流固耦合运动的载荷平衡方程,阐明了轴承油膜与转子相互耦合作用的失稳机理,结合轴系涡动耦合频率激振与非线性耦合振动频率之间的耦合特性,提出了一项轴系耦合调频的新技术.通过对轴承油膜涡动、谐振等自激耦合振动现象的实验研究,给出了轴系非线性动力学行为的典型特征与稳定性判别的准则,同时也为实现轴系非线性振动的有效控制提供了相应理论及试验的依据.      

超临界二氧化碳涡轮发电机振动试验

搭建20 kW超临界二氧化碳涡轮发电试验系统,开展涡轮发电机轴系临界转速数值仿真研究,对比分析空心轴与实心轴的前4阶临界转速与振型,并计算涡轮的前4阶模态频率。开展转速与负载对轴系振动特性影响的试验研究,采用频谱图分析转速0~48 000 r/min、负载0~20 kW下涡轮端与自由端壳体加速度振动响应。计算与试验结果表明:文中空心转子的临界转速高于实心转子的临界转速,有涡轮转子的临界转速低于无涡轮转子的临界转速。随着负荷从0 kW增加到15 kW,转子工频振动逐渐减小,但出现幅值较低的倍频振动;在转速区域11 000~40 000 r/min,不同功率下驱动端的振动响应低于自由端的振动响应,在转速48 000 r/min时,不同功率下驱动端的振动响应均高于自由端的振动响应。      

箔片摩擦效应对转子-箔片轴承系统动力学特性影响试验

为了研究波纹箔片和轴承壳之间的摩擦特性对转子-箔片轴承系统动力学特性的影响,设计了波箔型径向气体箔片轴承-转子试验台,通过在该试验台上对以两组不同轴承壳圆柱孔内表面粗糙度的箔片轴承支承的质量为0.458kg的转子进行转速为0~8000r/min的运行试验,对比分析了波纹箔片与轴承壳内壁之间的摩擦效应对系统转子动力学特性的影响.结果表明:直径为19.98mm的波箔型径向气体箔片轴承能够实现转子高速运行,在转子起飞后具有良好的运行稳定性,其轴承支承处的振动幅值一直维持在20μm附近,并且降低轴承壳内表面粗糙度(摩擦因数)能够让波纹箔片相对容易地在平箔片和轴承壳之间周向滑移,使其吸收并消除转子高频振动,提高转子系统运行稳定性.      

转子滑动轴承系统中油膜谐波振荡过程的试验研究

通过试验成功地呈现了轴系中油膜振荡过程的一阶固有频率和1/2、1/3次谐波振荡现象及分岔、混沌等非线性特征,进一步探讨了转子升降速产生次谐波油膜振荡的过程与机理。针对1/2、1/3次谐波油膜振荡锁频,双低频及幅频分岔图特性等现象,提出了进一步深入轴承转子系统非线性动力学行为研究的有关问题。     

考虑运行参数耦合作用的舰船轴系动力学特性研究

为分析清楚多动态因素作用下的轴系动力学特性，以保障轴系运行的可靠性和安全性，以某桨-轴-壳体为对象，建立其有限元模型，基于有限差分法和小扰动法求解各轴承油膜压力分布和油膜刚度，基于来流法求解艉部伴流场影响下的螺旋桨激振力。在此基础上，提出中间变量法，以转速为中间变量，在系统分析转速对油膜压力分布和螺旋桨激振力变化影响的基础上，研究得到转速变化下轴系整体动力学特性规律。研究结果表明：转速的增加使相邻轴承载荷差值分别降低了13398N和11102N，改善了轴系的载荷分布状态；轴系振动响应中的共振峰值受特定转速影响较大，在53.333Hz的轴向共振频率处以及14.667Hz,26Hz的横向共振频率处，轴系各参考点共振峰值的最大值出现在190r/min运行工况下。     

气体润滑轴承-转子系统非线性动力学特征的实验

对高速气体润滑轴承转子系统进行了稳定性试验研究.通过轴心轨迹、频率耦合三维图、频谱和分叉图,分析了系统非线性行为特征.实验证明气体润滑轴承-转子系统中的气膜涡动是系统非线性失稳的主要原因,气膜涡动导致的倍周期分叉是系统进入混沌振动的必由途径.通过调整系统固有频率和气膜润滑涡动频率之间的耦合关系,使得失稳转速远离设计转速;以及利用试验中所证实的混沌"有界"性质,有效的控制振幅,将是提高转子-轴承系统非线性稳定性的新途径.      

航空发动机高速球轴承动态特性分析

 高速滚动轴承的动态特性对航空发动机转子系统的性能有重要的影响,为尽可能真实模拟轴承实际运转情况,建立轴承零件相互作用模型得到各零件之间力和力矩,使用较精确的弹流模型计算拖动力,采用拟动力学法建立任意受载的球轴承动力学分析模型,提出了工程中非线性方程组的高效解法。编制调试了计算程序READ ( Rolling Element bearing Advanced Dynamics tool),以276927NK1W1(H)航空轴承为算例分析了工况参数和结构参数对滚动轴承动态特性的影响规律,最后通过Gupta的动力学程序算例验证了程序的准确性。轴承动态特性的研究为研究航空发动机转子轴承集成系统动态性能分析奠定了基础。     

浮环轴承非线性耦合动力润滑特性

针对浮环轴承-柔性转子结构的某型微型燃机实验结果的分析,结合浮环轴承非线性耦合动力润滑的机理研究,进一步研究与探讨了浮环轴承流固耦合润滑的非线性行为.给出了浮环轴承存在的五种典型非线性振动的频率特征,阐明了转子临界区域工频振动特征与转子涡动频率谐波振动特征的区别与联系,同时也明确了相应的振动抑制或消除的措施及方法.根据单膜润滑油膜承载能力及涡动速度的解析表达式,论证了浮环轴承半速涡动的频率特征及其稳定性.试验证明,浮环内、外油膜半速涡动与油膜振荡现象的涡动比接近于0.5与0.3,并且理论与实验具有很好的一致性.这为浮环轴承的设计及性能研究提供了相应理论与实验的依据.      

低损耗磁悬浮电主轴的动态性能

通过引入同极型径向主动磁悬浮轴承（AMB）和轴向永磁轴承（PMB）建立了低损耗磁悬浮电主轴试验装置,给出了主要设计过程和结构参数,分析了磁悬浮电主轴的动态性能,并通过系统的高速旋转试验进行了验证.研究结果表明:该试验装置结构简单,功耗较小,能够平稳越过前2阶临界转速并在40000r/min稳定运行,最大振幅为7μm.      

Alford力和滚动轴承对轴流压缩机转子系统动力特性和稳定性的影响

 研究叶尖气隙和滚动轴承共同作用下轴流压缩机的非线性动力特性及稳定性。采用有限元法和非线性滚动轴承模型,建立压缩机转子系统动力学模型,其中转子旋转时非均匀分布叶尖气隙引起的气动失稳力(即Alford力)根据已有实验数据和计算模型求得。通过计算分析发现叶尖气隙和滚动轴承分别激起系统的反进动和正进动共振频率,其共同作用造成压缩机转子系统的失稳,很好地解释了已有实验中出现的失稳现象。表明滚动轴承反力和Alford力的共同作用对压缩机转子系统的动力性能和稳定性有显著影响。     

Nonlinear dynamic behavior of a flexible asymmetric aero-engine rotor system in maneuvering flight

Aero-engine rotor systems installed in aircraft are considered to have a base motion. In this paper, a flexible asymmetric rotor system is modeled considering the nonlinear supports of ball bearings and Squeeze Film Dampers (SFDs), and the dynamic characteristics of the rotor system under maneuvering flight are systematically studied. Effects of the translational accelerative motions, the angular motions and the pitching flight with combined translational and angular motions on nonlinear dynamic behavior of the rotor system are investigated. The results show that, due to the nonlinear coupled effects among the rotor, ball bearings and SFDs, within the first bending resonance region, responses of the rotor show obvious nonlinear characteristics such as bistable phenomenon, amplitude jumping phenomenon and non-synchronous vibration. Translational acceleration motion of the aircraft leads to axis offset of the rotor system and thus results in the reduction and the final disappearance of the bistable rotating speed region. The pitching angular motion mainly affects rotational vibration of the rotor system, and thus further induces their transverse vibrations. For the pitching flight with combined translational and angular motions, a critical flight parameter is found to correspond to the conversion of two steady responses of the rotor system, in which one response displays small amplitude and synchronous vibration, and the other shows large amplitude and non-synchronous vibration.     

油叶型轴承--不平衡转子系统的非线性动力学分析

基于变分法提出了一个求解雷诺边界条件下有限长轴承油膜力的快速算法,用此算法对一个三油叶不平衡轴承—转子系统的非线性动力学行为进行了一系列的分析。数值模拟的结果显示了转子由稳定的同步涡动分岔为半频油膜涡动继而变为油膜振荡的失稳过程,还分析了轴承形状、轴承间隙、转子的质量大小、质量偏心位置等参数对转子运动的影响,提出了如何通过调节这些参数来提高转子系统稳定性的方法。      

舰用燃气轮机压气机转子动力特性研究

建立某型舰用燃气轮机压气机转子的有限元模型,对转子的动力学特性进行研究。计算了转子的固有频率和振型,求解了转子的临界转速和不平衡响应,并就转子前支承刚度变化对转子临界转速和不平衡响应的影响进行了分析。结果表明:转子为一刚性转子,其振动行为主要受转子一阶模态影响;转子的一阶临界转速为12 825 r/min;转子不平衡响应对第4级附近存在的不平衡量最敏感;转子前支承刚度增大对转子临界转速影响不大,但对转子不平衡响应有一定影响。本文结果可为燃气轮机的可靠运行及转子的进一步优化设计提供依据。