双转子航空发动机整机振动建模与分析

针对实际的双转子航空发动机,建立了航空发动机双转子-支承-机匣耦合动力学模型.在耦合模型中,利用有限元方法对转子和机匣系统进行建模;支承系统采用了集总参数模型,计入了滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性;定义了5种支承和连接方式,以适应复杂的双转子航空发动机转子-支承-机匣耦合系统建模.运用Newmark-β法和改进的Newmark-β法(翟方法)相结合的数值积分获取系统非线性动力学响应.最后进行了航空发动机的整机振动分析,分析了系统临界转速、应变能及不平衡响应灵敏度,研究了挤压油膜阻尼器的减振特性以及系统突加不平衡的瞬态响应.     

反向旋转双转子系统加速响应特性研究

以五支点双转子系统为研究对象,开展反向旋转双转子系统加速响应特性研究。结合有限元分析软件,利用固定界面模态综合法建立反向旋转双转子试验器的瞬态动力学模型,研究反向旋转双转子系统加速过程中加速时域特性、进动转速变化特性及内外转子盘质心变化规律。研究结果表明,转子各截面加速响应特性与系统各阶临界转速及振型有密切联系;加速过程中存在复杂的非协调进动;内、外转子分别在以各自为主激励的临界转速附近发生质心换向;经试验验证,试验数据与计算结果吻合性较好。     

某弹用涡轮喷气发动机动力特性分析

应用传递矩阵法计算了某弹用涡轮喷气发动机的临界转速和振动响应,分析了转子支承刚度对临界转速的影响,以及不同支承条件和不同油膜间隙下转子的稳态不平衡响应。研究表明,当转子系统的前支承刚度不高于1×107N/m,挤压油膜阻尼器的油膜间隙不小于7.0×10-5m时,发动机的动力特性能得到有效的改善。     

磁流变液阻尼器-转子-滑动轴承系统稳定性实验研究

通过实验研究了支承在磁流变液阻尼器和滑动轴承上的转子系统在振动主动控制过程中的运动稳定性问题，实验发现，当转子升速，控制电流稳定时，随着控制电流的增大，在一定转速范围内会出现由滑动轴承引起的油膜涡动和油膜振荡，而当转速稳定，突然施加或撤除控制电流时，转子的振动可在短时间内达到新的稳态，不会发生失稳，此后，在一定转速和控制电流条件下转子系统仍会发生失稳，但采用开关控制抑制转子临界振动时系统能稳定运转，研究表明，由控制电流决定的阻尼器支承刚度是影响转子系统稳定性的关键因素。     

支承非线性特性对双转子系统的响应特性影响研究

以双转子试验器为研究对象,开展高维复杂双转子系统的建模方法和动力特性的研究。将双转子系统划分为模态子结构和连接子结构,利用有限元方法和固定界面模态综合进行模态子结构的建模及维数缩减,将连接子结构保留在物理空间中,通过界面对接条件实现子结构的组装,利用Newmark法进行含局部非线性的双转子系统运动方程的数值求解。进行了计算模型的试验验证,并研究了转子系统的响应规律。研究结果表明:随转速的变化,转子响应中出现了滚动轴承的变刚度振动频率、不平衡激励频率及相关组合频率;同步不平衡响应的变化规律与支承位置、转子各轮盘的不平衡量及临界振型有着密切的联系。     

水润滑轴承对空压机动态特性的影响分析

某型离心空气压缩机采用水润滑滑动轴承作为支承。通过分析水润滑轴承刚度与安装位置对转子系统临界转速的影响,可以为空压机合理调节水压和轴承安装位置提供理论依据。研究表明,临界转速对某一区间的轴承刚度变化非常敏感,随着刚度的增大,临界转速会有阶跃性的增加;改变轴承的安装位置,增加转子的跨距,可以方便润滑结构设计,但会降低系统的临界转速值。     

动静件有干摩擦的转子系统动态特性分析

本文用动力学基本理论建立了转子和定子之间有干摩擦的转子系统动态特性分析的数学模型。对该模型的动态特性分析表明：这类问题的失稳运动在不同条件下可以是正进动,也可以是反进动;转子转速在临界转速以下时也会发生反进动失稳运动;摩擦力在系统未失稳时起推迟发生正进动失稳的作用,但是也有扩大反进动失稳转速范围的作用。     

非对称温度场对高压转子系统碰摩响应的影响

实际作业的转子系统在发生碰摩故障的同时,经常要承受非对称、非稳定温度场的作用,势必要改变转子系统的碰摩响应特性。以某型航空发动机高压转子系统为研究对象,建立了高压转子停车后自然对流的流-热耦合模型,研究了高压转子不同停车时刻自然对流的流体速度和温度分布。在此基础上,建立了非对称温度作用下具有多自由度的连续转子碰摩响应的有限单元模型,对多种忽略和考虑自然对流温度场影响的碰摩响应结果进行了对比研究。结果表明,当考虑停车温度场影响时,高压转子的碰摩响应增大了系统振动响应的振幅,改变了轴心轨迹的分布,频谱图上的出现了丰富的由碰摩力和非对称温度场所激发的频率成分,振动情况更加复杂。     

转子支承系统临界转速概率分析的随机响应面法

为分析不确定因素影响下转子系统临界转速的概率分布规律,提出一种基于随机响应面的转子支承系统临界转速概率分析方法。该方法从临界转速与转子系统力学不确定参数的隐式函数关系入手,使用临界转速的随机响应面替代Campbell图,避开了使用Campbell图直接进行临界转速概率分析的困难。对典型双转子支承系统临界转速概率分析验证了该方法的准确性和高效性。     

反向旋转双转子碰摩振动分析

建立了考虑内外转子碰摩影响的双转子系统动力学模型,推导出系统振动响应的动力学方程。利用分岔图,庞加莱截面图以及频谱图分析了双转子系统随转速变化时的振动响应和力学特性,以及系统发生碰摩时的各种非线性现象,并讨论了粘性阻尼系数、碰摩刚度系数和支撑弹簧刚度等系统参数对系统运动的影响。结果表明：随着转速的变化,系统会发生碰摩运动,导致拟周期和倍周期等复杂动力学行为出现;随着粘性阻尼系数的减小,系统行为变得复杂;碰摩刚度系数增加时,系统在碰摩时易发散失稳;在一定范围内,支撑弹簧刚度越大,系统的运动状态越稳定。     

单跨双盘裂纹转子-轴承的动力学特性研究

在考虑裂纹的时变刚度和综合模型的基础上,采用有限元法建立了左侧为弹性支承、右侧为非线性油膜力支承的单跨双盘裂纹转子系统的动力学模型和两端均为弹性支承的裂纹转子系统模型,并利用4阶Runge-Kutta方法进行求解,研究裂纹位置、裂纹深度、转速和裂纹轴刚度变化量对转子系统动力学响应的影响,并对2个模型的动力学特性进行对比分析。研究结果表明:在转速、裂纹深度和裂纹轴刚度变化量相同的条件下,裂纹位于转子左侧轴段的振动总是比裂纹位于转子中间轴段的振动剧烈;当转速较小时,无论裂纹位于转子左侧还是中间轴段,系统的振动响应主要是由裂纹引起的,频谱图上会出现高频分量;当转速较高时,系统的振动响应主要是由偏心量引起的。研究结果可为系统故障诊断提供依据。     

考虑温黏热效应的滑动轴承-转子系统动态响应分析

针对滑动轴承中润滑油温度的不稳定变化而引起的转子系统振动问题,从油膜润滑的雷诺方程出发,在Gumbel油膜边界条件假设下,推导出短轴承的非线性油膜力的计算公式。将润滑油温度变化时黏度的变化考虑在内,采用四阶Runge-Kutta法求解系统微分方程得到转子-轴承系统运动的时域图、轴心轨迹图、Poincaré图、频谱图、瀑布图和分岔图,分析滑动轴承-转子系统在润滑油温度变化下的动态响应。结果表明,使用不同润滑油时,温黏系数较大的润滑油对转子二阶临界转速附近的拟周期和混沌运动有更好的抑制作用;润滑油温度的升高有利于转子系统在低转速范围运行的稳定性,但在二阶临界转速附近,发生油膜涡动和油膜振荡所对应的转速区域会有所延长,不利于转子-轴承系统的运行。     

高速柔性转子-非定心SFD系统响应特征分析与试验验证EI北大核心CSCD

航空发动机转子系统通常在支承处设置挤压油膜阻尼器(squeeze film damper,SFD)来实现系统减振设计,与定心SFD相比,非定心SFD结构简单紧凑,减振效果良好,但是具有更强的非线性特征,动力特性更为复杂。以某航空发动机动力涡轮转子为研究对象,建立了多支点高速柔性转子-非定心SFD系统非线性动力学模型,考虑了非定心SFD静偏心的影响,采用数值方法求解转子系统响应,结合系统不平衡响应特征、分岔图、庞家莱截面、频谱等,开展了系统非线性动力学特性研究,并通过了转子试验验证。研究结果表明,非定心SFD油膜间隙较大时,转子系统存在较强的非线性运动,频率成分丰富,减小油膜间隙能够使系统在跨临界后为单周期运动,降低系统的非线性不平衡响应;但过小的油膜间隙将导致转子系统峰值响应和对应的转速显著增大,转子可工作转速范围变小,合理的油膜间隙可以兼顾非线性振动响应和峰值转速较小,实现转子系统在大转速范围内长时间运行。     

变阻尼“O”型圈支承柔性转子动力学试验研究

建立由动静压混合气体轴承支承的10 kg单跨柔性转子试验平台以开展不同阻尼"O"型圈支承下气体轴承-转子系统动力学特性试验研究。基于该试验台,进行了相同气体轴承供气压力下,丁腈,氟胶,硅胶三种不同阻尼材料"O"型圈支承轴系的动力学特性试验。试验中轴系经过平动临界、锥动临界、一阶弯曲临界三阶临界转速,在前两阶临界处轴系振动幅值基本相同,在一阶弯曲临界转速处振幅增加,升速率降低。转速大于一阶弯曲临界转速时,丁腈、氟胶"O"型圈支承轴系出现低频振荡,振动幅值增加现象。试验表明:提高"O"型圈支承阻尼,如采用丁腈"O"型圈,可以提高一阶弯曲临界转速轴系稳定性,但会造成度过一阶弯曲临界转速后低频振荡出现转速提前,低频幅值增加,加大转子失稳风险。     

外转子支点不同心的双转子系统振动特性

根据航空发动机双转子的结构特点建立双转子系统模型及振动方程。将外转子支点不同心的影响转化为支承上的等效不同心弯矩,并通过力矩分解处理得到系统的振动方程。利用求解效率较高的二维谐波平衡法进行求解,并采用Runge-Kutta法验证其求解精度。研究结果表明:外转子支点不同心使系统的幅频响应产生新的共振区,在该共振区内系统的振动响应中包含2倍频成分;随着不同心偏差量的增大,2倍频响应成分愈加明显,并逐渐成为系统振动响应的主导频率。此外,转子轴心轨迹形状改变显著。研究成果可作为不同心故障的动力学特征和诊断依据。     

部分充有两种不相溶流体转子系统振动和稳定性的实验研究

实验研究了部分充有两种互不相溶混合流体转子系统的振动和稳定性，分析了充液量对转子系统振动和稳定性的影响。结果表明，部分充有两种互不相溶混合流体转子系统的失稳过程比充有单一流体转子系统的失稳过程更为复杂，其动力特性不仅与自由表面有关，而且还与不同流体分界面上旋转波的特性密切相关。充有两种互不相溶混合流体的转子系统与充有单一流体的转子系统一样，一般在转速超过了其一阶临界转速后就会出现不稳定。转子在不稳定区内既不以一个固定值或转子系统的某阶固有频率进行涡动，也不以转速的某恒比率频率进行涡动。随着转速的增大，转子在不稳定区的涡动频率随之增大。     

双转子-中介轴承系统非线性振动特性

针对航空发动机双转子-中介轴承系统建立了简化动力学模型,考虑了中介轴承分数指数非线性、径向游隙和参数激励等非线性因素,以及高低转子系统的双频不平衡激励。采用数值积分方法求解获得系统的非线性振动响应,发现高低压转子分别通过系统一阶临界转速时引起的主共振附近转速区域内均存在振动突跳和双稳态现象,并分析了偏心距、转速比、中介轴承刚度、滚子数目及径向游隙对系统振动突跳与双稳态特性的影响。结果表明:减小转子偏心距能有效降低相应的共振峰峰值并抑制振动突跳行为,但双稳态区间会变宽;提高高低压转子的转速比将引起两个共振峰间距变大,但共振峰对应的转速之比约等于转速比;在一定范围内增大中介轴承刚度、增加滚子数目或减小径向游隙均可使双稳态区间变窄。研究成果有助于认识中介轴承的本质非线性特性对双转子系统非线性振动特性的影响,为提高航空发动机转子系统的运行稳定性提供了一定的理论指导。     

转子型式对高速透平膨胀机临界转速的影响

基于低温透平膨胀机临界转速的计算,对转子系统结构型式对高速透平膨胀机临界转速的影响进行了分析.用有限元QZ(FEQZ)法求解广义复特征值矩阵,对具有各项异性支承并且支承气膜阻尼不能忽略的高速透平转子临界转速特性进行了研究,并利用求得的复特征向量矩阵推导出了转子分段轴心瞬态振动轨迹方程.讨论了稳态情况下适用于同一透平膨胀机转子4种常用结构振动特性的优缺点.结果表明止推盘双置转子结构在该透平膨胀机设计工况具有较大的转速安全范围和较好的稳定性,此结论与工程应用吻合较好.     

倾斜角影响下磁悬浮双转子系统的振动分析

针对倾斜角影响下磁悬浮双转子系统的转子振动问题，建立系统10 自由度力学模型，并推导系统的微分方程。通过MATLAB仿真软件中四阶龙格库塔法对系统微分方程进行求解，研究表明转速比和倾斜角的增大均会增大转子到达平衡位置的偏移距离，不同的是，前者会使转子的轴心轨迹变得更为复杂，而后者会增大转子的最大振动幅值。从非线性角度分析发现，转速比的增大会降低转子进入混沌运动的转速，降低系统的稳定性，而倾斜角的存在会使系统产生复杂的运动状态，但倾斜角的增大对系统的稳定性无影响。研究结果可以为磁悬浮双转子系统的设计提供一定的理论指导。     

裂纹非线性呼吸行为对转子临界转速的影响

为了研究复杂涡动引起的裂纹非线性呼吸行为对转子临界转速的影响,构建了带横向裂纹Jeffcott转子的通用运动方程,利用新建运动方程对临界转速附近裂纹转子的稳态响应进行了数值研究。发现裂纹的非线性呼吸行为对转子不但具有增强稳定性的作用(与开裂纹转子相比),而且在一定条件下具有降低振动响应的作用(与无裂纹转子相比)。与无裂纹转子相似,稳定的裂纹转子的临界转速等于响应振幅最大且重心转向约90°对应的转速。裂纹转子的临界转速值随不平衡量方位角在开裂纹和闭裂纹转子固有频率之间变化。在转子实验台上进行了裂纹转子通过临界转速的实验验证,观察数据支持理论研究结果。