含滚动轴承的同向和反向旋转双转子系统动力学响应

以双转子航空发动机为研究对象,建立了航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.模型中考虑了低压转子与高压转子的中介轴承耦合作用,滚动轴承模型中考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(varying compliance)振动等因素.利用仿真模型,进行了同向和反向旋转双转子系统的拍振响应分析,结果表明当高低压转子的转速差较小时,双转子系统的拍振响应明显.同时研究了同转和反转双转子系统轴心轨迹响应的差异,研究表明反向旋转双转子系统的轴心轨迹会形成“花瓣”状.最后,利用双转子试验器验证了仿真结果的正确性,进一步验证本文所建模型的正确性.      

一种基于模型的双转子不平衡故障诊断方法

建立了双转子系统内外转子同时具有不平衡故障时振动响应分析模型,给出了双转子不平衡故障的微差速测试方法,构造了不平衡故障的非线性优化识别模型.分析了双转子可测点不平衡响应对转速与不平衡量之间的灵敏度关系,讨论了双转子不平衡故障的可诊断性问题,并利用数值仿真和试验对该方法进行了检验.研究表明,当测试数据含有一定的噪声时,利用少量的测点和转子的转速信息,可较准确地识别转子不平衡量故障.      

小积液情况下卧式转子的稳定性实验研究

盘腔积液现象在舰用燃气轮机工作过程中时有发生，汽化的滑油和水蒸气凝结形成积液。转子带动腔内的积液旋转，引发振动失稳，严重时会对发动机结构造成致命性破坏。为此，本文开展燃气轮机压气机盘腔积液的模拟实验研究，以双盘双支承的卧式柔性转子系统作为研究对象，重点关注小积液量的特点，对积液转子的动力学稳定性进行了研究。观测到转子的失稳现象，开展了不同积液体积、不同积液类型（水、植物油和滑油）等因素的影响规律研究，揭示了小积液的卧式转子动力学特征。研究结果表明：①对于积液失稳振动，存在失稳边界积液量，当积液量大于该边界值时，失稳将会发生。②失稳边界转速及恢复转速均高于临界转速。当转速高于失稳边界转速时，失稳将会发生。转速进一步增加，高于恢复转速时，失稳现象可能消失。③失稳时的振动特征为：出现幅值突增，次谐波成分也随之增加；基频和次谐波发生调制，表现出拍振特征。④随着积液体积的增加，失稳边界转速先减小后增加。⑤随着积液粘度系数增大，失稳边界转速和边界积液量均增大。     

温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响

为探究不同工况下温度场变化进而导致材料属性变化对双转子系统动力特性的影响，提出将不同工况温度、转速变化与发动机双转子系统动力特性联合分析方法。通过发动机性能方程、相似性原理及稳态热分析方法拟合得到稳定工况双转子温度场，将温度场与转子结构有限元模型联合，推导了双转子系统有限元刚度矩阵受温度场影响的动力学方程。建立了典型发动机双转子支承系统热-固联合分析有限元模型，分析了双转子系统在不同工况温度场下固有频率、模态振型、稳态不平衡响应及应变能分布的变化情况。结果表明：随着工况升高，典型发动机双转子系统固有频率发生不同程度的下降，临界转速随之下降，最大下降幅度接近10%；在涡轮位置不平衡量作用下，受临界转速变化等影响，涡轮支承位置最大工作转速附近平均不平衡响应幅值较常温下增大近3倍，温致材料属性变化对双转子动力特性造成较大的影响。     

带中介轴承双转子系统“可容模态”优化设计及实验

为解决航空发动机双转子系统无法避开临界转速的问题，提高双转子系统容忍振动的能力，根据带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法，以某型带中介轴承双转子发动机相似模型为初始模型进行优化设计，并以此搭建一套双转子实验器系统。通过模态测试、响应测试、连续变转速以及长时间“共振”实验，先后验证了带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法的准确性、有效性、稳定性和可靠性。研究发现，双转子实验器测试结果与计算结果临界转速误差最高3.06%、模态振型误差最高9.6%；工作范围内任意转速下，即使频繁穿越临界转速，振动幅值均不超过50μm；在6阶临界转速处各完成了不少于3790s的“共振”实验，所容忍的不平衡量最大为设计不平衡量的5.2倍，振幅平稳，且可容度评价函数值越高，容忍共振能力越强。实验结果充分验证了带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法是可行的。     

双转子发动机转差引起的叶片尾流激振

介绍了双转子结构发动机在飞行使用中高、低压转子转速差随转速的变化特点,提出了转差可能在高、低压转子交界处的动叶间引起尾流激振的观点,并通过计算实例对转差引起的叶片尾流激振特点作了简要描述.与导向器的尾流激振比较,转差引起的叶片尾流激振有着易激起危险的低阶振型、共振转速范围宽和激振强度低的特点.      

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。     

同转/对转双转子系统的动力学特性

建立了双转子动力学模型,引入中介轴承刚度和高、低压转子陀螺力矩的影响,利用数值分析和实验验证,揭示了同转/对转双转子系统临界转速特性和不平衡响应存在的差异,以及转速比对同转/对转双转子临界转速特性和不平衡响应的影响.结果表明:陀螺力矩是影响带有中介支承的双转子系统转子刚度的主要原因,其刚度变化与内、外转子的转速比大小和相对旋转方向有关,进而导致同转/对转双转子系统临界转速特性和不平衡响应发生改变;相比同结构的同转双转子,在相同的不平衡量作用下,对转双转子的不平衡响应更为显著.对转双转子进行动平衡时,应更加严格的控制内、外转子的不平衡量.      

带中介轴承的双转子系统振动耦合作用评估

为了评估中介轴承对双转子系统的振动耦合作用,从临界转速位置振型变化、临界转速变化、模态振型与稳态不平衡响应的应变能分布变化、中介轴承受力变化等多角度,阐释双转子耦合振动的表现形式和关联关系,提出了相应的评价指标或评估方法,并以典型燃气涡轮发动机双转子系统为对象,进行了分析评估。结果表明,单转子的模态振型可能在双转子模态振型中表现为3种形式,一一对应出现、重复出现或耦合出现,对应的临界转速及应变能分布也会随之产生相应的变化;中介轴承受力在临界转速位置出现峰值,而应变能分布变化最大的转速位置与系统临界转速位置不一致,同时还受不平衡激励位置影响;各单元应变能占比变化量随转速变化曲线可详细分析特定不平衡激励下系统应变能分布变化情况。所提方法可为双转子-中介轴承系统的设计、故障诊断提供参考。     

航空发动机支承系统的动柔度系数矩阵及其测量

转子系统的临界转速、不平衡响应和稳定性分析时,必须考虑支承系统的影响。但在实际发动机上,由于机匣部分结构十分复杂,工艺误差造成的差别较大,因而其动力特性往往需要实际测量。为此作者对某种双转子涡轮喷气发动机进行了激振试验,以确定支承的动柔度系数和耦合动柔度系数,取得其部分动柔度系数矩阵,供计算时作为原始数据。     

对转双转子系统径向-轴向耦合碰摩故障仿真

基于一种新型径向-轴向耦合碰摩的对转双转子系统力学模型,利用数值积分方法,对双转子系统由碰摩导致的振动特性进行了仿真研究。分别给出了低压转子单独径向-轴向耦合碰摩、高压转子单独径向-轴向耦合碰摩和高低压转子共同径向-轴向耦合碰摩下的轴心轨迹、幅值谱图和时域波形图。仿真研究结果表明：在低压转子单独发生径向—轴向耦合碰摩且转速比较低时,低压转子节点的时域波形具有一定的拍振效应,随转速比的增加,拍振效应逐渐消失,但高压转子节点的时域波形,在3种转速比下均没有拍振效应;在高压转子单独径向-轴向耦合碰摩转速比较低时,高低压转子节点的时域波形均表现出一定程度的拍振效应,随转速比的增加拍振效应也逐渐消失,但时域波形却变得“复杂化”;在高低压转子共同发生径向-轴向耦合碰摩时,在所有转速比下,高低压转子节点的时域波形均没有表现出拍振效应。     

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.     

转子-电磁轴承系统动静件碰摩动力特性研究

对转子—磁轴承系统动静件间发生碰摩时的非线性动力学行为进行了研究,在考虑质量偏心的情况下建立了系统的数学模型,求解了系统的周期解,并结合分岔图、庞加莱映射和频谱分析研究了系统的动态特性,研究表明系统发生碰摩后,随着转速及偏心率的增加,转子运动中具有连续的周期分岔现象,并走向失稳,其频谱图中组合频率在奇数倍频附近发生了从右到左的频移现象。这些研究结果可用于控制碰摩后电磁轴承的稳定性,避免大事故的发生。其振动频率特征可判别磁轴承系统是否发生了碰摩故障。      

喘振载荷作用下转子系统瞬态响应研究

通过对发动机喘振载荷的空间域和时域分布的分析,提出非对称旋转失速团可产生的径向激振力,使转子系统发生横向振动。发展了利用压力脉动数据判定横向旋转气动载荷的处理方法,对燃气涡轮发动机在喘振载荷作用下转子系统的瞬态响应进行了计算分析。计算结果表明,在由喘振引起的气动载荷上转子系统会产生强迫振动和自由衰减振动相交替的低频周期振动。     

带双挤压油膜阻尼器的转子系统动力响应研究

本文针对主轴承带无定心弹簧挤压油膜阻尼器将油膜力系数线性化处理,方便地用传递矩阵和线性迭代计算了非对称柔性转子系统稳态振幅响应。计算结果表明带两个阻尼器的减振效果比带一个阻尼器好。     

转子吸振器挤压油膜系统的研究

本文发展了传统的动力吸振器,提出了用于旋转机械减振的转子吸振器。研究了刚性转子、柔性Je-ffcott转子在挤压油膜阻尼器、转子吸振器减振作用下的动力特性,并进行了初步试验研究。研究表明转子吸振器能有效地改善转子系统的动力特性,为旋转机械的减振提供了一种新方法。      

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。     

基于阶比分析技术的燃气发生器转子支承松动

振动特征分析是燃气发生器健康监测与故障诊断的重要手段,其中非平稳信号阶比分析技术是机械振动特征分析的重要方法。针对某型双转子燃气发生器变速工况下发生的转子支承松动故障,在分析该故障振动机理的基础上,介绍了阶比分析技术与发生器整机振动测试系统,通过实例分析进行了故障诊断,找到了故障发生的原因,验证了方法的有效性和可靠性     

机动飞行条件下带挤压油膜阻尼器的Jeffcott转子系统的振动特性

建立了带挤压油膜阻尼器的Jeffcott转子系统的运动微分方程,研究了机动飞行条件下转子系统的振动特性。结果表明,机动飞行对转子系统振动的影响是明显的,机动飞行所产生的附加离心力和附加陀螺力矩将改变挤压油膜阻尼器的受力;SFD能够有效地抑制瞬态振动,起到快速稳定系统的作用。