航空发动机双转子系统振动传递机理及解耦理论与方法

Aero-engines have special structures in which the unbalance vibration of rotors cannot be directly measured but indirectly reflected by the acceleration signals from the casing. Because of the complex vibration transfer path and the unclear vibration coupling mechanism between dual rotors, the fault diagnosis and tracing and for the aero engine become extremely difficult. Thus, three scientific problems are presented for investigations in this project as follows: to present a mixed dynamic model for a flexible-casing and dual-rotor system by decoupling the linear and nonlinear subsystems; to explore the local vibration transfer and coupling mechanisms of the intermediate bearing in the dual-rotor system; to reveal the vibration transfer mechanism and suppression law in the whole engine with a consideration of nonlinear damping supports. This project aims to reveal the transfer and coupling mechanism of unbalance vibrations and the law of vibration suppression of squeeze film dampers in a dual-rotor system, and to accurately illustrate the vibration transfer mechanism between unbalance excitations and measuring points in the casing as well as the mapping relationship between the excitations and responses. The implement of this project will provide urgent analytical approaches and theoretical supporting for the aero-engine balance, and promote the discipline development of rotordynamics.

航空发动机的由于其结构特殊性，转子不平衡振动仅能通过机匣的振动加速度信号间接反映，由于传递路径复杂，内外转子之间的振动耦合机理不明确，使得发动机振动故障的诊断及溯源极为困难。因此，本项目提出并研究以下三个科学问题：线性-非线性子系统解耦的柔性机匣-双转子系统混合动力学模型，双转子系统的振动在中介轴承处局部振动传递特性及耦合机制，含非线性阻尼支承结构的整机不平衡振动传递特性及振动抑制规律。旨在探明含机匣-挤压油膜阻尼器的双转子系统的不平衡振动传递、耦合及振动抑制机理，准确揭示转子不平衡激励力与机匣测点间的振动传递特性及响应映射关系，为航空发动机的本机平衡提供亟需的分析方法与理论支撑,促进转子动力学的学科发展。

航空发动机是航空领域核心动力装备，因结构及激励力复杂，振动问题一直是发动机性能提升的主要“瓶颈”，随着我国对高性能发动机的需求日益迫切，研究发动机振动耦合机理，揭示发动机内振动的传递规律就显得愈发重要，以此为基础提出有效的减振措施就显得愈发重要。本项目致力于揭示含机匣-挤压油膜阻尼器的整机不平衡振动传递特性及振动抑制规律，探明双频激励下内转子-中介轴承-外转子局部振动传递及耦合机制，以及建立考虑挤压油膜阻尼器支承的非线性子系统和复杂机匣线性子系统整机振动解耦模型及高效求解方法。取得突破性进展如下：.①提出了含柔性机匣-挤压油膜阻尼器-中介轴承的双转子系统整机动力学建模方法，并提出针对含局部分线性的高维有限元模型的显-隐分离及G-α框架的瞬态动力学响应快速积分方法，并开发出了航空发动机双转子动力学分析软件。 ②提出了三种基于振动响应信号辨识转子系统阻尼状态的方法，可降低对激振力需求，实现转子系统一阶正进动阻尼状态的在线快速辨识（小于0.5秒）。③中介轴承传递特性研究表明：激励力在高频段呈现非线性振动特性，且中介轴承的等效动力学参数不能单一地视为固定参数。④提出了一种基于电磁激励器控制的不平衡振动快速抑制算法，实现0.2秒内快速抑制70%以上不平衡振动。⑤研究了阻尼器对转子系统振动特性，开展了丰富的转子阻尼器减振的试验研究，并在真实航空发动机上开展了振动传递特性的频响测试，获得了宝贵的试验数据。.本项目研究的双转子动力学建模技术与阻尼减振技术，已经成功应用于两个航发相关企业的合作项目之中。本项目研究成果不仅为航空发动机的本机平衡提供了亟需的分析方法与理论支撑，也为转子系统的在线阻尼比辨识及振动抑制提供技术支持，推动转子动力学与振动控制学科进一步发展。