同轴对转桨扇双转子系统不平衡耦合振动靶向精稳抑制原理和方法

The propfan engine is a new type of power equipment for large and long-haul aircraft, and the contra-rotating propeller - rotor system is the core component of the propfan engine. The unbalance coupled vibration and noise of propeller fan rotor system is the choke point of the development of the engine, and the vibration is too large to cause the rotor rubbing, blade failure, bearing damage and other accidents.The project intends to propose and study the target suppression method for the unbalance coupled vibration of the contra-rotating propeller - rotor system. Firstly, the high dynamic simulation model of the propeller – rotor- casing is established, and the dynamic response characteristics of all components are studied. The coupled vibration mechanism of the propeller- rotor system and the transmission law of fault characteristic signals under complex paths are revealed. Secondly, the extraction method of the propeller's unbalance feature signal under complex path and vibration coupling conditions is studied, the fast identification technology of imbalance and coupling vibration has a big breakthrough, and the virtual dynamic balance methods based on the influence coefficient database are achieved. Finally, according to the specific structure of propeller rotor system, a new type of electromagnetic ring balancer are applied to the inner and outer rotor, a real-time multi-target precise suppression method for propeller-rotor system is put forward, and the effectiveness of the method is verified by experiments. The results of the project can provide theoretical and technical support for the development of high reliability propfan engine.

桨扇发动机是大型远程飞机的新型动力装备，同轴对转桨扇双转子系统是该发动机的核心部件。桨扇-转子系统的不平衡耦合振动及产生的噪声是研制该发动机的瓶颈，且振动过大易诱发转子碰摩、叶片断裂、轴承损伤等事故。本项目提出并研究同轴对转桨扇双转子系统不平衡耦合振动的靶向精稳抑制方法。首先建立桨扇-转子-机匣仿真动力学模型，研究各部件动力学响应特性，揭示桨扇-转子系统耦合振动机理和故障特征信号在复杂路径下的传递规律；其次研究复杂路径和振动耦合条件下桨扇不平衡耦合振动的解耦和快准辨识方法，实现桨扇转子系统的虚拟动平衡并建立相关影响系数库；最后根据桨扇-转子系统的具体结构，提出分别适用于内外转子的新型电磁滑环式平衡执行器，并借鉴医学靶向治疗的思路，形成桨扇双转子系统不平衡耦合振动的多目标实时靶向精稳抑制方法，并通过模拟实验验证该方法的有效性。研究成果可为研制高可靠性的桨扇发动机提供理论和技术支撑.

桨扇发动机是大型远程飞机的一种新型动力装备，同轴桨扇双转子系统是该发动机的核心部件。桨扇-转子系统的不平衡耦合振动及产生的噪声是研制该发动机的瓶颈，且易诱发转子碰摩、叶片断裂、轴承损伤等事故。本项目提出并研究形成了同轴桨扇双转子系统不平衡及其耦合振动的实时靶向精稳抑制方法，具体包括：建立了同轴对转双排桨扇—转子—机匣系统有限元模型并开展动力学特性分析，揭示了同轴对转桨扇双转子系统耦合振动机理及故障特征信号复杂路径下的传递规律；形成了基于故障机理与数据驱动的不平衡振动信号实时智能诊断和基于ZFFT+FT的微速差信号特征提取方法，实现了0.5s内的不平衡故障实时诊断准确率达90%以上；形成了基于加权遗传算法的桨扇-双转子系统不平衡振动快准辨识方法，并在同轴双转子试验台上实现转子系统不平衡振动降幅90%以上；首创了径向励磁式自动平衡执行器，实现关键驱动力矩参数提升68%以上；形成了基于人工自愈原理的转子系统不平衡振动实时靶向精稳抑制方法，在模拟试验台上实现转子不平衡振动实时抑制效果达到90%以上，且原理样机通过CNAS（国际互认）和CMA认证检测。研究成果可为大幅降低同轴对转桨扇发动机运行过程中的不平衡及其耦合振动、研制高可靠性的桨扇发动机提供理论和技术支撑。在本项目支持下，共发表SCI/EI论文17篇，授权美国发明专利1项、中国发明专利9项，申请PCT国际专利2项、国家发明专利5项，获软件著作权3项，出版英文论著1部，牵头起草自动平衡团体标准1项，组织国内学术会议2次，培养博士研究生5人、硕士研究生11名。以本项目成果为依托，获中国发明协会发明创新奖一等奖1项和日内瓦国际发明展金奖1项，项目负责人获中国技术市场协会金桥奖先进个人奖。