多源激励下叶片-转子系统失稳故障预测与增稳关键技术

High thrust-weight ratio aviation engine, high-power and high-speed steam turbine, high-flow and high-pressure ratio turbine compressor and other high-parameters turbine machinery are urgently needed equipment for the building up of national defense and national economy, and the rotor blade system is the heart of these devices. The stability problem of rotor-blade complex system under high-parameters, such as rotor instability and blade flutter, is one of the key problems that restrict the safety and high-performance service of these high-level turbine machineries. This paper presents the key technology of damping ratio parameter identification determining the system instability fault and system stability enhancement. First of all, the multi-source (bearing, seal, inter blade fluid) excitation mechanism of rotating rotor and blade multi-source and rotor-blade single mode traveling wave excitation method are studied, and the intrinsic relationship between the traveling wave excitation and the real working condition is revealed. Then, modal identification methods of rotating blades and rotor system are studied. Key technologies of modal damping identification have a big breakthrough, and the influence factors on the damping ratio are studied. Following, the development mechanism and evolution regulation of rotor instability and blade flutter fault are revealed, and the evaluation method for complex system stability of blade-rotor under machinery operation environment are formed. Finally, the key technologies of instability fault prediction and stability enhancement of blade-rotor system under multi-source excitation are presented. The results of this project can be applied on solving the problem of the stability and safety of high-level turbine machinery.

大推重比航空发动机、大功率高速汽轮机及大流量高压比透平压缩机等高参数透平机械是当前我国国防建设和国民经济所急需的设备，而转子-叶片系统是这些设备的心脏。高参数作用下转子-叶片复杂系统的稳定性问题（转子失稳与叶片颤振）是制约这些高端透平机械安全、高性能服役的关键问题之一。本项目提出并研究决定系统失稳故障的阻尼比参数辨识与系统增稳关键技术。首先研究旋转态转子及叶片多源(轴承、密封、叶片间流体)激励机理与转子-叶片单模态行波激励方法，揭示行波激励与真实工作状态激励的内在关联；其次研究旋转态叶片及转子系统的模态识别方法，突破模态阻尼比辨识关键技术，并研究阻尼比的影响因素；揭示在转子失稳与叶片颤振故障发生、发展的机理和演变规律，形成整机操作环境下叶片-转子复杂系统稳定性评价方法；最后研究基于主动电磁阻尼密封的转子系统稳定性增强方法与关键技术。本项目成果可为解决高端透平机械稳定和安全服役提供支撑。

大推重比航空发动机、大功率高速汽轮机及大流量高压比透平压缩机等高参数透平机械是当前我国国防建设和国民经济所急需的设备，而转子-叶片系统是这些设备的心脏。高参数作 用下转子-叶片复杂系统的稳定性问题（转子失稳与叶片颤振）是制约这些高端透平机械安全 、高性能服役的关键问题之一。针对目前我国高参数透平机械发展过程中对转子及叶片安全服役及健康管理的迫切需求，揭示了复杂工况多源激励条件下转子-叶片失稳故障发生的机理及发展规律，突破了高端透平机械失稳故障的预测方法和主动增稳控制关键技术；开发出旋转态叶片的行波激励器，并建立旋转态叶片的行波激励方法；开发出基于叶尖计时的旋转态叶片模态的识别方法，攻克谐调叶片和失谐叶片的模态振型及其相应的阻尼辨识关键技术；开发出透平机械转子-叶片在实际工作状态下的稳定性识别与评价方法，构建“辨识+预测”相结合的转子系统稳定性辨识方法；开发出电磁阻尼密封装置，实现透平机械失稳故障的预测和增稳调控。对本领域的发展做出如下突出贡献：（1）突破了高精度的转子轴承、密封、齿轮轴系动力学和流体机械复杂机电耦合系统动力学建模仿真技术；（2）开发出了转子稳定性精准辨识、高精度预测及转子失稳振动、不平衡振动故障抑制方法及软硬件系统；（3）建立了包括透平压缩机叶片、压缩机及离心机转子的故障预警、溯源诊断与自主健康方案。以上工作有力地推动了我国过程流体机械由过去的测仿逆向设计向自主正向设计的转变。在本项目支持下，发表期刊文章20篇，会议论文3篇，其中SCI文章12篇，EI文章5篇，专著已完成大部分初稿。共申请发明专利22项，其中授权国内发明专利15项，获软件著作权10项。本项目开展广泛的国际交流，申请人组织国内会议4次，国际交流20人次，做大会报告/特邀报告9次。以本项目研究成果为依托，获得中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖（2019年），教育部科技进步二等奖（2020年），中国石油和化学工业青年科技突出贡献奖（2021年）。