阅读说明：本技术 一种考虑挤压油膜阻尼器的发动机转子动平衡方法及系统 (Dynamic balance method and system of engine rotor considering squeeze film damper ) 是由 谷宇 *** 李维博 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供了一种考虑挤压油膜阻尼器的发动机转子动平衡方法及系统,涉及发动机转子动平衡技术领域,以解决现有的动平衡技术中存在的无法有效平衡带有挤压油膜阻尼器的转子系统的振动这个问题。通过曲线交叉法,得出目标阻尼器在实际工况下的离心率,并利用运动微分方程,将阻尼器非线性阻尼力转化成等效刚度和阻尼,解决在转子工作过程中阻尼器轴颈的进动位移和挤压油膜产生的阻尼力之间的非线性关系问题,能够求得转子系统各节点处的振动情况。以此为基础,开发基于双转速、双平衡面的影响系数法的动平衡程序,构建相应的程序界面,通过选取阻尼器非线性特性较弱时的两平衡转速,对转子系统进行动平衡,取得了较好的平衡效果。(The embodiment of the invention provides a dynamic balance method and system of an engine rotor considering a squeeze film damper, relates to the technical field of dynamic balance of the engine rotor, and aims to solve the problem that the vibration of a rotor system with the squeeze film damper cannot be effectively balanced in the conventional dynamic balance technology. The eccentricity of a target damper under the actual working condition is obtained through a curve intersection method, the nonlinear damping force of the damper is converted into equivalent rigidity and damping through a motion differential equation, the problem of nonlinear relation between the precession displacement of a damper journal and the damping force generated by an extrusion oil film in the working process of a rotor is solved, and the vibration condition of each node of a rotor system can be obtained. Based on the dynamic balance program, a dynamic balance program based on an influence coefficient method of double rotating speeds and double balance surfaces is developed, a corresponding program interface is constructed, and the dynamic balance is carried out on the rotor system by selecting the two balance rotating speeds when the nonlinear characteristic of the damper is weaker, so that a better balance effect is obtained.)

一种考虑挤压油膜阻尼器的发动机转子动平衡方法及系统

技术领域

本发明涉及发动机转子动平衡领域，尤其是涉及带有挤压油膜阻尼器的非线性转子系统的动平衡。

背景技术

随着我国工业化迅速发展，旋转机械在航空航天领域的应用日益广泛，作为旋转机械的重要组成部分，转子的平衡对于旋转机械能否稳定、安全运行，起到了极其关键的作用。设计制造不规范、材料分布不匀称、安装定位不准确等原因都会引发转子的不平衡，转子在不平衡力的作用下，可能发生剧烈振动，从而导致更严重的问题。

近年来，转子动平衡技术发展迅速，目前应用较广泛的动平衡方法有影响系数法和振型平衡法，其应用都是在线性转子系统中。影响系数法可同时平衡几个振型，尤其是对轴系的平衡更为方便，可利用计算机辅助平衡，便于实现数据处理的自动化。但是，在高转速下平衡启动的次数多，在高阶振型时，敏感性降低，有时使用非独立平衡平面可能得不到正确的校正量。而振型平衡法需要测量转子各阶的振型，这就必须直接测量转子的振动。对一般航空发动机来说，要在机内测量转子的振型有诸多不便，因此，此法比较适用于实验器和发动机研制中的试验机转子的动平衡。

在如今的航空发动机发展过程中，我们越来越重视其高推重比特性和宽舒适性，这使得其结构越来越轻柔，随之而来的是在工作过程中，其负荷越来越大，这会导致发动机的振动加剧。为了减小整个系统的振动，我们在发动机转子上加入了挤压油膜阻尼器，来提供阻尼，达到减振的效果。但是挤压油膜阻尼器的存在，使转子系统出现了非线性特性，因此，对于其平衡方法的研究十分必要。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种考虑挤压油膜阻尼器的发动机转子动平衡方法及系统，解决带有挤压油膜阻尼器的非线性转子系统的动平衡问题。

本发明实施例提供了一种考虑挤压油膜阻尼器的发动机转子动平衡方法，所述方法包括：

在带有挤压油膜阻尼器的转子系统中，将激励和时间看成一定的函数关系，在t时刻，转子的运动微分方程通常表示为：

其中，F_t不仅包括不平衡力，还包括阻尼器挤压油膜产生的阻尼力，该阻尼力和轴颈进动位移是非线性关系。

在确定函数关系后，进一步的，基于曲线交叉法，确定某时刻下阻尼器实际的离心率，在其它阻尼器参数确定的情况下，将阻尼器随着轴颈进动位移变化的的阻尼力转化成该时刻下的等效刚度和等效阻尼，轴承和阻尼器的相互关系表示为：

其中，下标s和b分别表示轴承和阻尼器节点，通过矩阵的展开、整理及变形，可以得出阻尼器非线性阻尼力转化为等效刚度和等效阻尼后的方程，带入到转子的运动微分方程中，得到阻尼力等效后的带有SFD的转子整体运动微分方程。

基于上述的转化关系，求得该转子系统中各节点的振动响应，其中包括阻尼器的振动情况。

进一步的，在基于曲线交叉法确定转子系统各节点的振动情况后，所述方法还包括：

针对在有阻尼器的转子系统中，随着不平衡量的变化，临界转速会发生变化，振动响应和滞后角都会随着不平衡量的线性变化发生非线性改变这一情况，在该方法中，选取阻尼器非线性特性影响较弱时的两转速作为后续动平衡的平衡转速，避免了随着不平衡量的变化所可能导致的振动突变和滞后角变化等其他非线性情况，保证了影响系数的稳定。

进一步的，在阻尼器非线性特性较弱的条件下选取两平衡转速，基于双转速、双平衡面的影响系数法，对带有挤压油膜阻尼器的发动机转子系统进行动平衡。

本发明实施例还提供了一种考虑挤压油膜阻尼器的发动机转子系统动平衡程序界面，在该界面中可以导入发动机转子系统模型，并基于曲线交叉法进行转子系统的动力学特性分析，求得各节点的振动响应。

进一步的，该界面还可以通过输入影响系数法的相关条件参数，求得在转子系统初始不平衡量的情况下，通过动平衡得出的配重值，从而达到平衡效果。

相比于现有技术，本发明所述的动平衡方法和系统具有以下优势：

本发明所述的动平衡方法是在带有挤压油膜阻尼器的转子动力学分析结果准确的基础上实施的。通过曲线交叉法，求得了实际工况下阻尼器对应的离心率，将轴颈运动位移和挤压油膜的阻尼力之间的非线性关系转化成等效刚度和等效阻尼，通过对运动微分方程的求解，得到带有SFD的转子系统各节点的振动情况，为下一步的动平衡结果的对比提供了良好的前提。

本发明所述的动平衡方法是基于双转速、双平衡面下的影响系数法，选取了阻尼器非线性特性影响较弱情况下的两平衡转速，在该情况下的振动响应、滞后角的变化与不平衡量的关系和不带阻尼器时的线性系统近似相同，在振动响应中考虑了阻尼器的影响，而在平衡时弱化了阻尼器非线性特性的影响，平衡后取得了较好的效果。

本发明所述的发动机转子系统基于某真实发动机转子结构，空心不等截面的结构更加符合实际情况。系统中带有中心弹簧支承的挤压油膜阻尼器，中心弹簧具有一定的刚度，在支撑轴颈的同时，也起到了防止轴颈转动的作用。阻尼器具有一定的长度、直径，轴颈和轴承座之间有一定的间隙，充满了粘性的润滑油，提供阻尼，起到减振的作用；轴承的支撑方式采用1-1-0结构，阻尼器和其中一个滚动轴承串联在第一个支撑处。

基于上述方法和系统，建立动平衡程序界面，在界面中完成上述功能，使带有SFD转子系统的动平衡工作便捷化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为对带有挤压油膜阻尼器的发动机转子系统进行动平衡的流程图；

附图2为轴承和阻尼器间相互关系的示意图；

附图3为利用曲线交叉法求解目标函数下离心率的示意图；

附图4为基于曲线交叉法，将转子运动微分方程中的非线性阻尼力转化为等效刚度和等效阻尼后，该转子系统的动力学分析对比结果。

附图5为本发明实施例提供的基于影响系数法的双转速、双平衡面下的动平衡程序界面；

附图6为本发明实施例提供的某发动机转子二维有限元模型示意图；

附图7为本发明实施例提供的带有阻尼器时，转子在不同不平衡量下的非线性特性变化曲线图；

附图8为本发明实施例提供的基于影响系数法的双转速、双平衡面下的动平衡前后，振动情况对比。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

首先，我们对本申请可适用的应用场景进行介绍。本申请可以应用于国防和航天系统中，对带有挤压油膜阻尼器的航空发动机转子系统进行动平衡，以便减小发动机转子系统的振动，从而达到系统安全、稳定运行的目的。

图1给出了对带有SFD的发动机转子系统进行动平衡的流程图，首先，我们建立某带有SFD的真实发动机转子系统的二维有限元模型图，基于曲线交叉法，确定某时刻下阻尼器实际的离心率，在其它阻尼器参数确定的情况下，将阻尼器随着轴颈进动位移变化的的阻尼力转化为等效刚度和等效阻尼，分别带入到等式左边的刚度和阻尼矩阵中。通过上述的转化关系，我们可以求得该转子系统中各节点的振动响应，包括阻尼器的振动情况。

进一步的，我们通过在转子系统中施加不同不平衡激振力，得到两轴承节点的振动响应、滞后角和阻尼器的离心率随着转速变化而发生的非线性变化情况。在阻尼器非线性特性影响较小的转速范围内，选取两平衡转速。

进一步的，我们基于双转速、双平衡面的影响系数法，在考虑阻尼器的非线性特性的情况下，选取非线性特性作用较弱的两平衡转速，平衡某真实发动机转子结构，通过平衡前后结果的对比，表明该方法对带有SFD转子系统进行动平衡的有效性。

进一步的，基于以上内容，建立动平衡程序界面，在界面中完成利用该动平衡方法和系统的功能，通过界面上直接输入参数获取结果，使上述的动平衡工作更加方便快捷。

图2给出了轴承和阻尼器相互关系的示意图，该转子系统在工作过程中，除了受到不平衡力激励之外，还会受到挤压油膜阻尼器的阻尼力激励，我们将激励和时间看成一定的函数关系，在t时刻，转子的运动微分方程通常表示为：

其中，F_t不仅包括不平衡力，还包括阻尼器挤压油膜产生的阻尼力，该阻尼力和轴颈进动位移是非线性关系。

在确定函数关系后，所述方法还包括：基于曲线交叉法，确定某时刻下阻尼器实际的离心率，在其它阻尼器参数确定的情况下，将阻尼器随着轴颈进动位移变化的的阻尼力转化为等效刚度和等效阻尼，轴承和阻尼器的相互关系表示为：

通过上述矩阵的展开、整理及变形，得到阻尼器非线性阻尼力转化为等效刚度和等效阻尼后的方程，将其带入到转子的运动微分方程中，得到阻尼力等效后的带有SFD的转子整体运动微分方程。通过对方程的求解，即可得到该转子系统各节点的振动情况。

图3给出了一种新型非线性求解的方法-曲线交叉法，该方法基于阻尼器轴颈的进动位移和相关阻尼特性参数间的相互关系，阻尼器轴颈的离心率在0～1的范围内变动，在该范围内的任何一点，都能计算出轴颈位置对应的阻尼器特性参数，这些计算值构成了一条阻尼器的特性曲线，其中曲线A是目标阻尼器的特性曲线，曲线B是理想情况下的阻尼器特性曲线，是一条斜率为1的直线。两条线的交叉点就是目标阻尼器的稳态解，即实际工况下阻尼器的离心率。

图4中给出了两轴承节点处在有无阻尼器两种情况下的对比图，当转子系统中存在阻尼器时，能够有效降低转子的临界转速和振动响应，起到了减振的效果，同时也验证了本文开发的基于曲线交叉法的带有挤压油膜阻尼器的转子动力学程序的分析结果是正确的。

图5给出了基于影响系数法的双转速、双平衡面下的动平衡程序界面，我们分别在5和25节点处施加大小分别为0.2kg.mm和0.15kg.mm，相位角分别为30°和60°的试重，通过分析计算，在程序界面中显示两平衡面的配重值。

图6给出了带有SFD的某发动机转子二维有限元模型示意图，该转子为空心不等截面结构，更加符合实际的发动机转子情况，由14级压气机和2级涡轮组成，轴承的支撑方式是1-1-0，挤压油膜阻尼器在第1个支撑处，并和一个滚动轴承串联。阻尼器由中心弹簧支承，中心弹簧具有一定的刚度，在支撑轴颈的同时，也起到了防止轴颈转动的作用。阻尼器具有一定的长度、直径，轴颈和轴承座之间有一定的间隙，充满了粘性的润滑油，当轴颈进动时，通过挤压油膜来产生减振的效果。

图7给出了带有阻尼器时，转子两轴承节点处在不同不平衡量下的非线性特性变化曲线图，当阻尼器存在时，不同不平衡量下，两轴承节点处的临界转速会发生变化，而响应振幅随着不平衡量的线性增加发生非线性变化，此外，相位滞后角在中间某转速范围内会发生变化，这体现出该转子系统在相同平衡转速下的影响系数发生了变化，因此在该转速范围内不适合利用影响系数法进行动平衡。此外，当初始不平衡从1kg.mm增加到2kg.mm时，阻尼器节点处的离心率会发生明显的变化，尤其是在临界转速附近，当阻尼器的离心率大于0.4时，非线性特性明显。

进一步的，我们选定初始不平衡量大小为0.1kg.mm，相位为0°，选取的平衡转速分别为4000rpm和10000rpm。

图8给出了平衡前后两轴承节点处的振动情况对比，通过结果我们可以看出，该动平衡程序在阻尼器非线性特性较弱的情况下，可以对带有挤压油膜阻尼器的发动机转子系统进行有效的动平衡。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。