新型挤压油膜阻尼器减振机理及含支承非线性双转子系统动力学建模技术研究

Modeling method of a new type squeeze film damper and the rotor system, which contains nonlinear supports and the new type squeeze film damper, will be investigated in this project based on the structural characteristics of the aero-engines. On theoretical study, three new types of SFD will be studied based on Navier-Stokes equation to explore the generation of cavitation. Also the dynamiccharacteristics of the SFDs can be obtained by solution of the 3D Navier-Stokes equation. Another objective is to establish and solve the dynamic model of the dual-rotor system which contains nonlinear supports. The rotor system of aero-engine will be modeled with the finite element method and modal synthesis method to include nonlinearity of the bearing and SFD. Solution method of the dynamic characteristics will be sought and stability of the dual-rotor system will be analyzed. On experimental study: the dynamic characteristics will be studied for traditional and the floating ring SFD respectively. The comparison of vibration reduction performances will be conducted on a dual-rotor system containing traditional and the floating ring SFD. Finally, validation for simulation results of the dynamic characteristics and stabilities of the dual-rotor system containing nonlinear supports will be carried out on the dual-rotor system.

本项目针对双转子航空发动机结构特点，开展新型浮环式挤压油膜阻尼器减振机理和含非线性支承转子系统建模、求解方法的研究。理论研究：针对三种新型挤压油膜阻尼器，通过三维N-S方程研究其减振机理及气穴对其减振性能的影响；建立浮环式挤压油膜阻尼器的瞬态动力学模型，获得浮环式挤压油膜阻尼器的动态动力学特性；建立发动机高低压转子子系统有限元模型，考虑挤压油膜阻尼器和轴承非线性特性，采用模型缩减建立含支承非线性双转子动力学模型，寻求含非线性双转子动力特性的求解方法；开展含非线性支承双转子稳定性仿真分析。试验研究：利用双向激励试验器对普通挤压油膜阻尼器和含浮环式挤压油膜阻尼器特性进行试验研究；对具有普通挤压油膜阻尼器和浮环式挤压油膜阻尼器的双转子系统进行减振效果对比试验研究。

航空发动机双转子系统的动力学以及减振特性研究是航空发动机研制中的重要内容。本项目针对新型浮环式挤压油膜阻尼器和非线性双转子开展了系统的建模方法、机理分析以及试验研究。主要的研究内容和进展包括：1. 基于浮动环的运动状态，构建了FSFD以及双支承FSFD浮动环的运动微分方程；提出一种新的描述浮动环运动以及油膜力的模型FSFD-ε2-γ；2. 设计加工了双向激励试验器，并验证了FSFD-ε2-γ模型的正确性；3. 基于Rayleigh-Plesset方程和瞬态Reynolds方程，得到考虑气穴效应的油膜压力分布模型，并通过试验测试方式验证了模型的有效性，探究了多个因素对气穴的影响；4. 首次在地面试验器上开展了SFD、FSFD在某真实发动机转子中的减振对比试验，结果发现，合理设计下FSFD减振效果较SFD平均提高30%，最大超过50%；5. 基于Timoshenko梁理论、Lagrange方程和有限元理论发展了一种适用于复杂转子系统动力学建模的方法；6. 针对FSFD-双转子系统局部非线性特点，借助有限元法、谐波平衡法以及非线性力的时域/频域转换方法，提出了一种高效的频域求解方法，并设计加工了FSFD-双转子系统试验器，试验研究了供油压力对FSFD减振性能的影响。7. 开展了大机动过载条件下转子系统动力学建模方法、非线性方程求解方法以及碰摩响应特征等方面开展了研究，并搭建了可模拟转子系统真实机动过载的轴承-转子系统试验台，试验器机动过载量最高可达到50g，通过测试时域响应、频域特征和转子静偏移量等参数验证了模型的有效性。.本项目研究内容和成果的主要价值在于：通过对FSFD以及转子系统的建模、分析与试验测试，进一步加深了对FSFD阻尼机理的认识，对FSFD以及双转子系统的工程设计提供了宝贵的试验数据。