单-厚盘转子过两阶临界转速的瞬态振动分析

航空发动机特殊的鼓式压气机结构可简化为径向转动惯量大于轴向转动惯量的厚盘转子系统,其做正进动时存在两个固有频率.计算了单-厚盘转子分别以定角加速度和定功率过两阶临界转速时对不平衡激振力的瞬态响应,其中定功率厚盘转子还与外界能源发生非线性耦合.结果发现,单-厚盘转子的低阶振型为轴的弯曲,高阶振型为盘的偏摆,其中高阶模态是厚盘转子特有模态;过临界转速时瞬态振动由转子的自由振动和强迫振动合成;当功率不足够提供转子通过临界转速时,出现外界能源与转子系统的能量耦合,造成瞬态振动急剧增大而"失速".      

转子挠度限制器工作理论及其在设计中的应用

机器转子应用“柔轴”可使结构简单、重量轻、运转平稳,因此釆用“柔轴”大有好处。应用“柔轴”时的主要困难是保证转子平稳而又安全可靠地通过临界转速。目前可能用来作为这种安全装置的有转轴挠度限制器与挠曲阻尼器。后者虽能保证转子很平稳地通过临界转速,但其结构复杂、重量较大、可靠性能差。限制器则重量小、结构简单,但关于限制器的工作理论及选用方法还研究得很少,未见有关这方面的文献。本文根据初步实验与作者见解,提出限制器工作理论和应用这一理论,选用限制器间隙与位置的方法。本文基于一单盘双支点转子有一定的临界转速与挠度随转速变化的曲线,但当转轴与限制器接触时,这一转子便成为一特殊的“三支点”系统,此时临界转速与挠度变化曲线与前不同。由于这种原因转子通过临界转速时,轴便会在限制器中作剧烈的横向振动。在设计不当时发生这种振动的转子转速范围大,并且轴在较大的转速范围内均与限制器接触,轴在连接盘子处的挠度反而很大,限制器实际上没有限制挠度的作用。在正确设计情况下则与上述结果相反,根据这一理论提出选用限器间隙与限制器位置的方法。 研究中承曹玉璋与王树卿两同学参加计算和实验等工作,在此深表谢意。     

共用支承-转子结构系统振动耦合特性分析

针对带有涡轮级间共用承力框架的转子系统,为准确描述转子-共用支承-转子（简称共用支承-转子结构系统）之间的振动特性,采用转子截面横向和角向振动特性耦合动力学模型,振动耦合产生机理及影响规律进行研究。理论分析结果表明:转子支点的动态响应对其他转子的支点动刚度特性及转子振动响应特性具有一定影响,共用支承结构振动响应对转子系统振动特性的计算误差超过10%,因此,在共用支承-转子结构系统的临界转速和振动响应计算分析中,需要考虑2个转子与共用支承结构的振动耦合影响。对于涡轴发动机共用支承-转子结构系统的有限元仿真计算结果表明:由于存在共用承力框架,2个转子之间将发生振动耦合,系统产生耦合振型,某一转子转速将会影响另一转子所激起的系统共振临界转速;并对共用承力框架结构的隔振特性也有影响,2个转子共同激励下振动响应与转子单独激励相比,在承力框架安装边上的动载荷以及载荷传递系数均大幅度提高。      

尾流激振情况下叶片强迫响应瞬态分析方法

对叶片强迫响应问题,提出应用瞬态分析的方法,针对转子叶片在前排静子叶片尾流激振情况下的位移和应力进行预估.流场进行全场三维非定常求解,将三维非定常气动力引入转子叶片有限元结构计算中,对尾流激振情况下叶片强迫响应问题进行瞬态分析,比较了不同转速下叶片的强迫响应,得到响应位移及应力变化的分析结果.采用叶片强迫响应瞬态分析方法,从流场的求解到结构响应的求解均应用成熟的通用软件,为工程应用该方法进行尾流激振情况下叶片振动应力预估及阻尼的研究提供了一个可行的方法.      

航空发动机整机有限元模型转子动力学分析

现代航空发动机在工作中不断变化的机械激振,气动激振频率越来越复杂,这使得对航空发动机振动分析必须考虑各结构间的动力影响.因此,利用能够考虑陀螺力矩影响,基于NASTRAN中实体单元编制的转子动力特性计算程序,对发动机整机进行了动力特性计算.首先对转子支承结构传递函数(动刚度)进行计算,并进一步研究其对转子动力特性的影响;分析比较基于不同单元模型计算时,盘轴耦合振动及盘轴连接处的角刚度对转子动力特性的影响,证明了基于实体单元的整机模型能够准确考虑各种振动模态.最后,在分析中发现了高阶转子弯曲振动模态与机匣振动耦合现象及其变化规律,在计算分析的基础上研究了在考虑机匣振动耦合时转子系统临界转速的确定方法.      

具有初始热变形的转子系统振动响应分析

航空发动机热起动时的温度分布不均会使转子产生初始热变形,进而引起发动机振动过大,甚至导致起动失败。针对此问题,以航空发动机中的典型转子为对象,根据初始热变形对转子振动的影响建立相应的动力学方程,并通过模态坐标变换分析初始热变形对转子系统振动响应的影响。结果表明,初始热变形相当于对转子作用了附加激励,包括转轴初始弯曲激励、附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励,上述激励均与转速同步。其中,附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励大小与转速有关,对转子通过各阶临界转速的振动响应均有较大影响;转轴初始弯曲激励大小与转速无关,主要影响低阶临界转速的振动响应。      

高速柔性转子系统动力特性稳健设计方法

高速柔性转子系统为控制其转子变形和多阶临界转速分布,常采用多支点支承方案,而转子-支承结构力学参数的分散性,使得转子动力特性设计成为多变量多目标非确定性优化问题。通过Lagrange法建立柔性转子运动方程,定义罚函数以定量描述多阶临界转速的分布特征,采用区间数学分析方法和遗传算法结合的方式,建立了基于临界转速分布特征优化及连接结构刚度损失控制的转子系统动力特性稳健设计方法。算例表明,通过将多阶临界转速集中于一定转速区间,并控制连接结构弯曲应变能分布比例,可有效减小转子通过多阶临界转速时的振动响应,降低转子动力特性对连接结构受力状态变化的敏感度,提高高速柔性转子系统动力特性的稳健性。      

计及盘与叶片的变形时涡轮机轴临界转速的计算

高速转轴临界转速的理论研究以及涡轮机轴的实陈计算,都以下面两个假设之一作为基础的:或者以点质量来代替盘,或者将盘与固定于盘上的叶片认为是绝对刚体,而其直径惯性矩则等于静止状态下的惯性矩。 无论是第一种假设还是第二种假设,一般都不是精确的,当轴作正协调进动的转动     

高速柔性转子系统非线性振动响应特征分析

针对高速柔性转子多支点支承的结构特点及转子动力特性设计的需要,分析松动支承对转子动力特性的影响,仿真研究得到多支点支承高速柔性转子系统的非线性振动响应特征。研究结果表明:工作在多阶临界转速以上的转子系统,存在松动支承时,工作中的柔性转子可能存在周期、拟周期、混沌运动。进而研究了松动支承位置、不平衡量、松动间隙等参数对多支点支承柔性转子振动响应的影响,分析结果为多支点支承高速柔性转子系统的动力学设计提供了理论方法。      

高速转子连接结构刚度损失及振动特性

高负荷航空发动机转子的转速和支点跨度不断加大,使得转子弯曲刚度下降,并在工作中具有一定弯曲变形。转子弯曲变形时,连接界面会存在刚度损失,需考虑转子弯曲变形对连接界面刚度特性及转子系统振动特性的影响。提出了定量描述连接界面刚度损失的力学模型,并针对非连续转子系统的动力学设计,提出了基于应变能分布优化的连接结构刚度损失抑制方法。数值仿真结果表明:转子弯曲变形下,连接界面刚度损失显著,会使转子弯曲临界转速大幅降低;通过转子应变能分布优化设计可有效降低连接界面刚度损失对转子系统振动特性的影响,对转子系统振动特性优化设计具有重要的指导意义。      

动力涡轮转子结构系统力学特性稳健设计方法

航空涡轴/涡桨发动机动力涡轮转子是典型多支点支承、具有连接界面、质量/刚度分布不均匀的高速柔性转子系统,其连接结构力学特性和支承刚度的分散性可导致转子系统动力特性恶化。针对典型动力涡轮转子结构系统,指出不可恢复滑移、疲劳、摩擦等连接界面接触损伤是连接结构力学特性产生分散性的内在原因,提出了接触状态系数、接触应力、不可恢复变形能和接触摩擦功等工程适用的定量评估参数。通过对多支点柔性转子-支承系统临界转速分布及其对各支点支承刚度敏感度的影响规律分析,提出了基于支承刚度低敏感区择优的动力特性稳健设计方法,所提方法提高了转子结构系统的稳健性。      

考虑支承刚性时转子的临界转速

提出用折合效应系数法计算考虑支点刚性及陀螺力矩影响时转子临界转速的方法,用以计算两支点刚性不同而周向刚性相同转子的临界转速。分析了支点刚性系数对临界转速性质的影响,得出一些结论,可供设计参考。拟制两支点刚性不同,周向刚性不均匀转子的临界转速计算方法及两支点刚性不同,周向刚性不均,且y(z)方向负荷会造成z(y)向变形情况下转子的临界转速计算方法。所有计算方法中考虑了陀螺力矩的影响,这就比目前已有的计算方法更接近实际。由性质分析所导出的一些概念,对实际设计机器时,如何考虑支点刚性对临界转速影响有参考作用。 学生陈宝歧、于香泉,在完成这项科研项目中付出许多劳动,在此表示衷心感谢。     

连接界面变形对转子动力特性影响的力学模型

针对航空发动机在工作过程中振动量增大且伴随有一定的界面磨损问题,在结构特征分析的基础上建立了三盘转子-支承系统动力学模型,并将接触端面同轴度偏差以及平行度偏差进行参数化描述,基于Lagrange方程得到考虑界面变形的高压刚性转子系统动力学微分方程。结果表明,界面变形将使得刚性转子系统产生附加激振力,同轴度偏差引起的附加激振力幅值与转速平方成正比,仅作用在相应自由度上;平行度偏差引起的附加激振力幅值仅与系统刚度和平行度偏差量有关,与转速无关,且其在支承自由度方向上存在一定分量。      

考虑支承刚性时轴的临界转速问题

本文是应用材料力学求挠度的方法,推求轴在具有弹性支承情况下的折合当量刚性系数C_k与折合当量质量m_k。推求的结果C_k与文献中用拉格兰日能量法所求得的结果相一致(见附录)。在演算过程主要是引用文献中所列的基本公式。这里将他引来与轴的临界转速问题做一个试探性的结合,并对所得结果做一定性上的分析,本文原是一篇读书报告,错误之处在所难免,敬希读者批评指正。本稿曾由晏砺堂付教授审阅指正,在此表示感谢。     

介质粘性对椭圆齿轮流量计性能影响的研究

本文根据粘性流体力学原理和转子动力学理论,分析了椭圆齿轮流量计的缝隙漏流和转子受力状况,建立了能预测介质粘性对流量计误差特性和压力损失影响的理论模型。数值计算表明,理论值与实验数据基本吻合。     

对旋风扇不同转速匹配对失速关键级影响实验

对低速对旋风扇/压气机级的理论分析表明,对旋转子的失速关键级取决于失速时前后级的流量系数以及前后级固有的临界流量系数.前后级的转速匹配会改变前后级的流量系数,进而改变对旋风扇的失速关键级.在一台低速轴流对旋风扇上进行了不同转速匹配的实验,实验结果验证了这一结论.该实验通过改变前后级转速来研究不同转速比情况下的对旋压气机失速特性.实验中分别测量了前后级在100%,90%,80%,70%,60%,50%转速下,共计36组数据.实验结果表明,在设计转速下第2级转子为失速关键级,并且可以通过调整前后级的转速比来改变失速关键级.另外,在失速时如果前级转子流量系数接近临界值,可以得到明显的失速迟滞回线,否则无法得到迟滞回线.      

基于干扰观测器的磁悬浮姿控飞轮电机控制

由于磁悬浮飞轮转子不平衡振动的存在,飞轮力矩/转速控制精度受到影响.为有效地对不平衡振动干扰进行估计,提出了一种针对时变谐波扰动的非线性干扰观测方法,观测器的动态与稳态性能可以根据系统要求设定,具有全局一致收敛性;在非线性干扰观测器的基础上设计变结构控制器对飞轮转速进行控制并对干扰进行补偿,通过改进变结构控制器的滑模函数与控制律系统抖振可以有效地削弱.仿真与实验结果表明:基于非线性干扰观测器的变结构控制器具有很好的扰动抑制能力和动态响应、稳态误差调节能力,可用于实现飞轮输出力矩控制.     

复杂转子系统支点动载荷模型及其优化设计

针对高推重比涡扇发动机中带中介轴承复杂转子系统的支点动载荷振动响应及优化设计问题,建立了转子系统支点动载荷力学模型,研究在不同转速下,不平衡量、转子弯曲变形及轮盘惯性载荷等因素对支点动载荷的影响。计算分析了双转子系统支点动载荷随转速变化规律,揭示了高速双转子系统中介支点动载荷与转子弯曲变形及轮盘惯性载荷的关系,并提出了基于转子弯曲变形弹性线斜率控制的双转子系统支点振动响应优化设计方法。结果表明,通过优化高压涡轮后轴颈结构、调整低压涡轮后支点靠近中介支点,可以有效减小中介支点动载荷的大小和不平衡量对其影响的敏感度,为具有中介支点的复杂转子系统支点振动响应优化设计提供了理论方法。      

涡轮流量计转子内完全三元流场的变域变分有限元解

以变分原理作为理论基础,结合有限元方法,提出了涡轮流量计转子内部完全三元流场的速度分布。根据所求流场,应用边界层理论,给出了叶片和轮毂表面的阻力矩,计算了转子所受的各个力矩,最后得出了理论特性曲线,它与实验结果吻合良好。所建立的方法改善了传统的用平面叶栅势流理论来处理转子内部流场所存在的缺陷。