弹性机匣双盘碰摩转子系统的稳定性

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基于机匣应变的航空发动机碰摩故障识别

基于机匣应变的航空发动机碰摩故障识别房剑锋【摘要】针对双转子航空发动机采用柔性机匣设计理念,提出了在进气机匣或中介机匣承力支板加装应变桥路,从机匣动应变中提取特征频率来识别发动机转静碰摩故障的一种方法.建立了简化的转子-机匣碰摩动力学模型,分析得出了双转子发动机转静碰摩特征频率,利用该特征频率准确识别出了某型发动机飞行试验中多次转静碰摩故障.理论分析和飞行试验表明:机匣应变能够灵敏的拾取转静碰摩振动信号;双转子发动机发生转静碰摩时,振动频谱中会出现mΩH±nΩL高低压转频组合频率成分,可依据该组合频率来判断碰摩故障是否发生;振动频谱中出现mΩH±ΩL组合频率成分并不能定位高压转子发生碰摩,同理,振动频谱中出现ΩH±nΩL组合频率成分也不能定位低压转子发生碰摩.【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(020)003【总页数】7页(P22-28)【关键词】双转子发动机;转静碰摩;故障识别;机匣应变;组合频率【作者】房剑锋【作者单位】中国飞行试验研究院发动机所,西安,710089【正文语种】中文【中图分类】V232.96目前第三、第四代航空发动机不断追求高推重比、快速状态切换、低油耗等性能指标，涡轮前温度越来越高、转静子间隙越来越小，必然导致转子与机匣经常发生碰摩[1-2]。

目前转静碰摩已经成为多型航空发动机的典型故障之一，转子和机匣发生碰摩将带来严重的后果，如果不能及时发现与排除，可能导致发动机转子和静子严重损坏，甚至造成严重的飞行事故。

因此，准确识别出飞行中发动机碰摩故障，对于保障飞行安全、提高发动机战备完整性具有重要的军事意义[3-5]。

近些年来，国内外学者关于航空发动机转静碰摩故障识别的研究较多，在转子碰摩动力学数值及有限元建模仿真[1-2,5-9]、模拟碰摩故障实验研究[10-13]、碰摩故障分析识别方法[4,9,13]等方面进行了大量深入研究，得出了各种发动机转静碰摩故障识别方法和结论，对于发动机故障诊断、提高发动机结构可靠性设计具有重要的应用价值和指导意义。

叶轮转子碰摩响应的分岔与稳定性

关键词分岔 #稳定性 #叶轮转子 #碰摩 #延续打靶法中图分类号 ?!""#TM%%!7%! ! 文献标志码 9! ! 文章编号 %$$#;#<"!!"$%&$$#;$:!<;$& >?@%%$7%:!'<(A7B,C171DD,7%$$#;#<"!7"$%&7$#7$%$
收稿日期 "$%';$';%=#修订日期 "$%';%";"= 基金项目国家自然科4;""!"%$'="$:!$#天津市自然科学基金资助项目 !%=(Wb>(W!'"$$$
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机匣碰摩稳定性&_-R)I- 等对 ):* 发动机工作转速下转静子碰摩问题进行了实验研究"针对不同的碰摩侵入量情况进行了测试"对比分析了转静子的相互影响作用&9J+6,D等)=*'e)*,5)'*和 P6+5*D),)&* 通过测量机匣的变形"间接获得了碰摩载荷的实际大小和变化规律&实验研究的结论表明叶轮转子叶尖和机匣的碰摩响应近似于系统受到周期性脉冲力作用的响应&(1-,5 等结 )%$* 合实验研究的结论"提出了周期性脉冲力形式的碰摩接触力模型"并通过理论计算推导了最大接触力的表达式&基于周期性脉冲力模型"T*+,6+)%%*研究了碰摩时叶片的刚度效应#V65+-,R等研 )%"* 究了叶轮转子的碰摩响应#]1E 等研 )%!* 究了非对称转子与各向异性机匣的碰摩#刘书国等对 )%#* 叶片;机匣碰摩的瞬态过程进行数值模拟"分析碰摩激起的部件的动力学响应#G1,J-)%<*分析了叶片丢失情况下发生转静子碰摩时转子的稳定性及非线性动力学行为& 王国丽等采 )%:* 用叶片;机匣实体接触有限元计算得到碰摩力"建立了航空发动机双转子;支承系统实体模型"利用 9,DHD计算了高压涡轮;机匣碰摩时轴承支反力的变化&近年来" 叶尖碰摩逐渐引起了人们的关注&陈果等对 )%=;%'* 叶尖碰摩转子动力学进行了数值仿真和实验研究"其中叶片和机匣的碰摩力采用线性碰摩模型& 马辉

径向-轴向碰摩双盘转子-机匣系统的数值仿真分析

一
＝０．５２５ｍ，
１２４５０Ｎ／ｒｄ，．６Ｘ１ａ
＝３．Ｘ１００Ｎ／ｍ，
＝
３０Ｘ１Ｎ／ｍ，ｐ＝０．５１．０ｅｌ０ｍｍ，
ｅｐ２＝０００．２ｍｍ，ｐ卢ｌ＝３。卢２＝２。０，ｐ０，
】＝２＝一８８６８Ｘ１２】．６０Ｎ／ｍ，
Ｚ＝０．３５ｍ，＝２．Ｘ１Ｅ１０”Ｎ／ｍ
，
Ｇ＝８０Ｘ１Ｎ／ｍ，＝２０１６０一ｍ，．０。．０Ｘ１
，
Ｌ＝９８７Ｘ１～４ｌ２１１０Ｎｍ，．１０ｍ，ｌ＝２＝．４Ｘ１／
碰摩弯扭耦合系统具有很强的非线性，拟周期和混沌是系统碰摩的主要特征。系统参数的改变对系统响应的特征有较大的影响，随转速的增大表现为“ 周期一拟周期一周期一拟周期一周期一混沌” 的演变过程。偏心比较小时，系统为周期１运动，超过某一值后，系统直接演化为混沌运动，或演变为拟周期运动，并最终进入混沌。碰摩时谐波成分存在，静子的频率成分较转子更为丰富，主要分布在两个区域，１工频及其周围的高低频率成分，工频及其周围的频率成分。静即倍３倍
＝０．８ｍｍ，Ｏ１＝０．１ｒ＝０．２ｍ。５，２
＝
法适用于时间序列无噪声，空间中小向量的演变高切度非线性的信号，计算结果对噪声较为敏感，其应用受到一定限制。Ｊｅｂａ方法适用于时间序列有噪声，ｏｏｉｎ切空间中小向量的演变接近线性的信号。本文采用Ｗｏｆ

汽轮机转子-机匣系统碰摩的分叉现象分析

汽轮机转子-机匣系统碰摩的分叉现象分析张志鸿;岳一领;殷玉枫;熊诗波;赵玉祥【期刊名称】《机械设计与研究》【年(卷),期】2008(24)5【摘要】提高汽轮机热效率的有效途径是采用超超临界压力。

压力的提高使得作用在转子—机匣上的激振力将显著增大,有必要对气流激振力作用下的转子-机匣系统的非线性动力学特性进行研究。

本文采用双控体模型,以汽轮机转子—机匣系统为研究对象,将转子和机匣作为统一的弹性体,采用四阶Ruge-Kutta法进行数值仿真,来研究在密封气流激振力以及机匣体振动的双重作用下的转子与机匣的碰摩运动,揭示了转子与机匣碰摩的分叉动力学特性。

给出了气流激振力作用前后的碰磨转子系统响应的分叉图、轨迹图、相轨迹图和Poincare映射图。

着重讨论了输入气压和转子转速等决定气流激振力大小的因素对碰磨转子分叉特性的影响。

对提高超超临界汽轮机的可靠性提供了有意义的参考。

【总页数】6页(P119-124)【关键词】非线性动力学;转子-机匣系统;气流激振力;机匣弹性体;分叉【作者】张志鸿;岳一领;殷玉枫;熊诗波;赵玉祥【作者单位】太原科技大学,太原030024;太原理工大学,太原030024【正文语种】中文【中图分类】O322【相关文献】1.径向-轴向碰摩双盘转子-机匣系统的数值仿真分析 [J], 徐可君;秦海勤2.非线性转子-机匣密封碰摩系统的耦合振动分析 [J], 殷玉枫;姚德臣;王松雷3.转子—机匣局部碰摩的分叉与混沌行为分析 [J], 袁惠群;闻邦椿4.航空发动机转子-滚动轴承-支承-机匣耦合系统的碰摩故障分析与验证 [J], 陈果;李成刚;王德友5.双盘悬臂转子—轴承—机匣耦合系统碰摩故障分析 [J], 贺威;袁惠群因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

转子系统碰摩故障实验研究进展与展望

ＭＡＨｕｉ，ＹＡＮＧＪｉａｎ，ＳＯＮＧＲｏｎｇ－ｚｅ，ＮＡＩＨａｉ — ｑｉａｎｇ，ＷＥＮＢａｎｇ — ｃｈｕｎ
（ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ）
振
动
与
冲
击
第３３卷第６期
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫ
转子系统碰摩故障实验研究进展与展望
马辉，杨健，宋溶泽，能海强，闻邦椿
１１０８１９）
（东北大学机械工程与自动化学院，沈阳
ｌｏｃｌａｕｂｒ－ｉｍｐａｃｔｉｎｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍ，￣）ｌｏｃｌａｒｕｂ — ｉｍｐａｃｔｉｎｒｏｔａｔｉｎｇｂｌａｄｅ－ｃａｓｉｎｇ，＠ｌｏｃｌａｕｒｂ — ｉｍｐａｃｔｉｎｐｒａｃｔｉｃｌａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｒｕｂ — ｉｍｐａｃｔｆａｕｌｔｂｅｔｗｅｅｎｒｏｔｏｒａｎｄｓｔａｔｏｒｉｎｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｂｏｕｔｒｕｂ — ｉｍｐａｃｔｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔｓｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｕｂｒ — ｉｍｐａｃｔｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔａｌｄｅｖｉｃｅｓｆｏｒｓｉｎｇｌｅｐｏｉｎｔｒｕｂ — ｉｍｐａｃｔ，ｌｏｃｌａｕｂｒ — ｉｍｐａｃｔａｎｄｆｕｌｌａｎｎｕｌａｒｒｕｂ — ｉｍｐａｃｔｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｙｐｉｃａｌｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔａｌｐｈｅｎｏｍｅｎａｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｓｅｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｒｕｂ — ｉｍｐａｃｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｒｕｂ — ｉｍｐａｃｔｍｏｄｅｉｎｐｒａｃｔｉｃｌａｅｎｇｉｎｅｅｉｎｒｇｉｓｔｈｅｌｏｃａｌｕｂｒ — ｉｍｐａｃｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ

涡摆耦合悬臂双盘碰摩转子的稳定性分析

子系统的非线性特性明显增强，入混沌区域所需的转速增大。进关键词：悬臂双盘转子；螺效应；陀碰摩；定性；线性稳非中图分类号：０２３２文献标识码：Ａ
随着旋转机械的高速大功率柔性化发展，静件转间的碰摩等故障问题Ｅ益突出，接影响了高速旋转ｔ直
，
Ｊｌ１一ｌ１）２＋ｋ１＋ｋｓ２＋ｋ４２＝０ｄＪ＋ｋ１ＢＣａＩ２２２２
，２＋２，２ｃ２＋ｋ３ｎ２ｎＤ２也１＋ｋ３１＋ｋｓ＋ｋ４＝１２ｓ２３２
，：：。一ｐ２。
延拓打靶法和Ｆｏｕｔｌｅ理论，ｑ研究了有无陀螺效应两种情况下系统的稳定性，讨论了间隙和悬臂轴长度对系统稳定性的影响。结果表明：在所讨论的参数范围内，不考虑陀螺效应时，碰摩转子系统在不同的转速下会发生鞍结分岔、倍周期分岔和Ｈｏｆｐ分岔等现象。考虑陀螺效应后，混沌区域沿转速增加方向明显后延，转子系统在所讨论的转速区间内没有出现鞍结分岔、倍周期分岔现象，转子系统的稳定区域减小。同时，随悬臂轴长度的减小，系统的稳定性明显增大，当悬臂轴长度与跨轴长度比小于１４时，／系统始终处于稳定状态，陀螺效应可以不考虑；随转静件间隙的减小，考虑陀螺效应的碰摩转
Ｄ，跨轴长度为ｆ悬臂轴长度为ｆ～ｉＤ，，ｋ（，＝１） …４
表示第个点的位移为１时在ｉ产生的力。设转轴点各向同性，弯刚度为。不平衡力为Ｆ抗＝ｍＰ（＝１２，２为碰摩力模型。ｉ、）图

弹性齿汽封叶顶碰摩对汽轮机运行稳定性的分析

收稿日期:2008-03-28基金项目资助:辽宁省教育厅科技项目(05L266)。

作者简介:孟召军(1970-),男,辽宁凌源人,副教授,从事热能动力与流体机械方面研究。

弹性齿汽封叶顶碰摩对汽轮机运行稳定性的分析孟召军(沈阳工程学院动力工程系,沈阳110136)摘要:为减少漏汽损失,提高大参数汽轮机组的效率,设计一种小间隙汽封将十分必要。

对一种新型叶顶弹性齿汽封的动静碰摩进行力学建模并进行了动力学分析,分析的结果表明,叶顶弹性齿汽封的小间隙安装,对汽轮机机组的运行稳定性不会造成影响,也表明这种设计的可行性。

关键词:动力机械与工程;汽封;小间隙;碰摩;转子动力学;稳定性分类号:TK263.8;TH 113.1 文献标识码:A 文章编号:1001-5884(2009)01-0019-02Stab ility Ana lysis o f Stea m Turbine Operati o n for the E lastic Tooth Sealand Top B lade w ith Rub-i m pactMENG Zhao -j u n(D epart m en t o f E lectrical Eng i n eering ,Shenyang I nstitute o f Eng i n eering ,Shenyang 110136,China)Abstrac t :It is necessary to desi gn a s m all g ap stea m seal for i m prov i ng high -para m eter stea m turb i ne .s e fficientcy by re -duc i ng stea m l eaki ng l oss .F or i m prov i ng the des i gn i dea o f e lastic tooth sea ,l the t her m odyna m i cs modeli ng o f touchi ng and rubbing bet ween t he elasti c tooth seal and shrcud r i ng on t he top blade w asm ade i n this tex t ,the i nvestigati on ind i cates t hat the e lastic tooth sea lw hich fi x ed on the top of shrcud ri ng w ith s m a ll gap w as re liable w ou l d not cause destab ili zati on to the running ro t o r ,it may serve as sa ti sfactory theore ti ca lw arranty for design i ng th i s new k i nd o f sea.l K ey word s :power and m echan ica l engineering ;stea m sea;l s mall gap ;rub -i mpact ;rotor dyna m ics ;stab ility0 前言随着我国电力工业的结构调整,研制、生产和发展超临界压力机组是火力发电节约能源、改善环保、提高发电效率、降低发电成本的必然趋势。

转子／机匣碰摩引起的转子弯扭耦合振动

转子／机匣碰摩引起的转子弯扭耦合振动廖明夫;宋明波;张霞妹【摘要】以航空发动机为研究背景，针对其转子／机匣间隙小，转速控制存在延迟，碰摩故障发生可能导致的发动机转子弯扭耦合振动的特征，建立了计及陀螺力矩的弹性支承‐柔性转子‐弹性静子系统的碰摩故障模型，模型中考虑了有延迟的转速控制力矩。

采用延迟微分方程的数值积分方法对方程进行了数值分析。

分析结果表明：碰摩作用发生时，剧烈的碰摩会导致转子的反进动，而碰摩与转速控制力矩的延迟共同作用会导致转子的扭转振动加剧，甚至可能发生扭振失稳。

应当在发动机控制系统的设计中充分考虑这种转子动力学影响。

同时，发动机扭振信号也可以作为转子／机匣发生碰摩的重要诊断信息之一。

【期刊名称】《振动、测试与诊断》【年(卷),期】2016(036)005【总页数】9页(P1009-1017)【关键词】航空发动机;转子;转静碰摩;弯扭耦合振动;失稳【作者】廖明夫;宋明波;张霞妹【作者单位】西北工业大学动力与能源学院西安，710072;西北工业大学动力与能源学院西安，710072;西北工业大学动力与能源学院西安，710072【正文语种】中文【中图分类】TH113.1引言转子/机匣碰摩是航空发动机运行过程中常见的现象，在某些情况下会造成发动机的进一步故障。

因此，转/静子碰摩成为发动机振动研究的焦点之一，备受关注[1]。

近年来，国内外学者分别在动力学建模[2-4]、摩擦模型[5]仿真[6-7]以及实验[8-11]等方面进行了深入探索，但往往忽略了碰摩摩擦力引起的转子扭振以及转速控制力矩[12、13]。

邓小文[14-16]以一种异步电机为对象，研究了转、静子的弯曲-扭转耦合振动，该研究针对电机驱动的地面旋转机械，其转速控制响应快，反馈转矩可迅速控制转子的转速。

航空发动机通过高压气流与燃油混合燃烧后产生高温燃气作为驱动，转速控制系统的响应要慢得多，而工作转速又非常高，因此，航空发动机的碰摩将可能造成转速波动，引起转子弯扭耦合振动。

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１１轴承回转动力特性．在燃气涡轮发动机等旋转机械中，由于制造误差
等原因，滚动球轴承的内外圈与滚动体之间实际上可能存在有微小间隙。如果滚动体直径不相同，在大则
的滚动体插入方向上，向间隙变小刚度增大 △ ，径而在
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匣作为统一的整体，究其碰摩的动力学特性。本文研
分析计及机匣弹性、陀螺力矩并同时考虑轴承刚别为转子１到两端轴承的距Ｚｉ，，）
离和转子２悬臂长度，Ｅ为转轴的弹性模量，ｉ，，＝１２３为转轴的轴惯性矩，．ｉ，）别为转子ｉ）６（＝１２分与机匣之间的间隙和碰摩时的摩擦系数，ｉ，）ｋ（＝１２分
基金项目：国家自然科学基金资助重点项目（０３００；家高技术研５５５１）国
究发展计划项目（０６Ａ４４８。２０Ａ０Ｚ０）
其垂直方向上径向问隙变大刚度减小 △ ，即在相互垂直方向上存在轴承刚度差，图２所示。这种轴承如刚度差随转动坐标系７（＝，）７ｉ３４以滚动体的公转角
中的和Ｙ。
蟊
应的影响，更不应该忽略转子圆盘的陀螺力矩的影响。目前尚没有同时考虑机匣弹性、匣与定子问的弹性机联接、承刚度差和陀螺力矩等对悬臂双盘转子系统轴稳定性的综合影响的研究。为此需要将转子与机
响；两轴承刚度对稳定性影响基本相同，两轴承的回转动力激励和两圆盘碰摩对稳定性影响明显不同；匣连接刚度越而机
小，机匣刚度越大，越有利于系统的稳定；轴承刚度大于临界轴承刚度时，系统存在稳定运动区域，否则系统不存在稳定运
１转子系统动力学模型与运动微分方程
综合考虑机匣弹性、承刚度差、轴碰摩力和陀螺力矩的双盘转子系统动力学模型如图１所示。图１中，ｉ，，，）别为跨中盘转子、ｍ（＝１２３４分悬臂盘转子、两轴承质量，ｉ５～８为机匣质量，扪ｍ（＝） ‘ ，（＝１２分别为转子１和转子２的直径转动惯量和极ｉ，）
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所，
堇中
ｋ中６室
足ｌｃ｝量｜
和碰摩时，转子系统的运动稳定性问题，为合理选定转子系统稳定性参数提供依据。
图１机匣转子系统简化动力学模型
Ｆｉ１Ｔｈｉｌｆｅｙａｍｉｄｅｆｃｓｎｏｏｙｔｍｇ．ｅｓｍｐｉｄｄｎｉｃｍｏｌｏａｉｇｒｔｒｓｓｅ
本身的弹性、匣与定子间的弹性联接对转子系统响机
别为转子ｉ与机匣之间的径向碰摩刚度。ｋｊ
和ｃ，
Ｃｉ，，）别为机匣等效弹簧刚度和阻尼系数，（＝１２３分ｋ（＝３～８分别为两轴承和机匣的等效支承刚ｉ）度，Ｃ（＝ｃｉ３～８分别为两轴承和机匣的阻尼系数。）图中只画出二维投影，略去各刚度和阻尼系数下标故
摘要：建立了计及机匣弹性、陀螺力矩并考虑轴承回转动力激励的悬臂双盘碰摩转子系统的动力学模型和运动
微分方程，根据稳定性理论，Ｊｃｂ矩阵特征值的性质分析了转子系统参数对转子系统解的稳定性的影响，利用系统由ａｏｉ并
的阶跃响应和零极点分布图判别系统运动是否稳定。分析结果表明：轴承回转动力激励和碰摩对系统稳定性产生不利影
振
动
与
冲
击
第２９卷第８期
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＯＮＡＮＤＳＩＨ０ＣＫ
弹性机匣双盘碰摩转子系统的稳定性
袁惠群，王正浩，闻邦椿
（．北大学理学院，阳１东沈１００２东北大学机械工程与自动化学院，阳１００；１０４；．沈１０４１０６）１１８３．沈阳建筑大学理学院，阳沈
动区域。
关键词：弹性机匣转子系统；轴承回转动力激励；陀螺力矩；稳定性
中图分类号：０２３２文献标识码：Ａ
转子系统的碰摩与滚动轴承间隙对其动力学特性的影响已有较多研究 ¨ ，由于制造误差等原因，而在相互垂直的方向上产生的轴承回转刚度差对转子系统动力学特性的影响研究尚不多见。。当碰摩发生时。转子与机匣均受到碰撞力与摩擦力的作用，子与机转匣的振动彼此相互影响，影响以后的碰摩过程。考并虑到有些实际转子的特殊结构形式，应该忽略机匣不