弹性环式挤压油膜阻尼器转子系统动力学与参数优化研究

Squeeze film damper (SFD) plays an important role in of vibration reduction technology of aero-engine. Some new designed SFDs have been proposed to suppress the strong nonlinearity of stiffness of oil film and acquire better dynamic performance for the aero-engine rotors. This project focuses on dynamic characteristics and parameter optimization design researches of the elastic ring squeeze film damper (ERSFD) and aero engine rotor system. The coupling dynamic model of the oil film and elastic ring inside ERSFD will be established, and from which, the ERSFD dynamic coefficients and supporting force are calculated. Then the local stability and the vibration damping performance will be analyzed. Based on the ERSFD study, analyses on the global stability, stability margin and complex dynamical behavior under mobile, fast and mutation operation conditions of the ERSFD-rotor system will be carried out. By revealing the effects of ERSFD parameters on the rotor performance, multi-objective optimization scheme for multi parameter of ERSFD structure will be presented. The hybrid algorithm of cell mapping will be adopted for the multi-objective optimal design research, to find out the best solution set of ERSFD parameters that meeting the demand for stability, impact resistance and reliability goals of aero engine rotor. The project will promote our country’s aircraft engine independent R & D capability.

挤压油膜阻尼器是实现航空发动机转子减振的重要技术措施。设计新型挤压油膜阻尼器的目的，是为了改善油膜刚度非线性程度高的问题，减少和避免转子振动不稳定，获得更好的减振和动力学性能。本项目围绕航空发动机弹性环式挤压油膜阻尼器(ERSFD)-转子的动力学特性和参数优化设计中的关键问题，建立ERSFD油膜力与弹性环变形耦合作用的流固力学模型，研究油膜动态系数和支撑力的综合计算方法，分析承载能力、减振性能和局部稳定性。在此基础上，研究ERSFD-转子系统在机动、快变、突变工况和运行条件下的复杂动力学行为，分析关键参数对全局稳定性和稳定裕度的影响规律，提出ERSFD结构的综合优化目标。采用基于胞映射技术的混合算法，找出ERSFD关键设计参数的最优解集合，满足ERSFD自身动力学性能和航空发动机对运行稳定性和抗冲击性的要求。通过本项目研究，促进我国航空发动机自主研发能力的提高。

挤压油膜阻尼器(SFD)能够降低航空发动机转子共振振幅，避免系统失效，是最有效的减振部件。但阻尼器刚度非线性也会导致转子振动突跳、非协调进动和混沌等，造成不稳定运动。在间隙中加入弹性环，可以通过油膜阻尼吸能、弹性环变形储能和凸台刚度控制，降低油膜非线性程度。本项目建立油膜力与弹性环变形耦合作用的流固力学模型，研究弹性环式挤压油膜阻尼器（ERSFD）的动特性、承载能力、减振性能和关键参数优化，分析复杂工况转子的动力学稳定性。项目取得如下创新性的成果：.1、基于板壳理论假设的弹性环建模和油膜流场的有限差分分析，进行流固耦合计算，快速、准确分析弹性环变形、ERSFD动力特性以及装配间隙的影响。.2、基于流体惯性雷诺方程，计算弹性环内、外油膜压力并给出多种内、外壁接触状态下的弹性环等效刚度计算方法。分析表明，雷诺数较大时，必须考虑流体惯性项对于油膜阻尼和转子振动的影响。.3、油膜气液两相状态能够削弱阻尼器减振效果。在周期和脉冲激励下，实验研究阻尼器等效阻尼、刚度以及附加质量的变化规律，找到了最符合挤压油膜阻尼器两相流的等效粘度模型。.4、构建ERSFD-转子流固耦合动力学模型，研究振动突跳、双稳态现象，证明了ERSFD通过降低油膜非线性程度起到减振效果，探讨了凸台数量、弹性环和内外油膜厚度、油膜粘度等阻尼器重要参数对转子振动的影响规律。.5、采用胞映射方法对挤压油膜阻尼器鼠笼进行多目标优化研究，依据优化结果设计的鼠笼满足了转子动响应、稳定性、阻尼效应和结构强度的目标要求。.6、持续或冲击基础激励通过阻尼器传递给运行转子。理论和实验研究发现，阻尼效果因基础激励形式、能量和频率范围不同而有很大差异，某些情况下会失去阻尼效果甚至放大振动。因此ERSFD设计需要考虑基础激励的影响。.本项目着眼于航空发动机转子对于稳定性、抗冲击性和可靠性的更高要求，针对弹性环式挤压油膜阻尼器的动力学准确建模、动特性的全面揭示，将有助于促进航空发动机自主研发能力的提高。