超高速转子系统动力学特性及减振措施研究

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微型涡喷发动机和轻型燃机属于小型超高转速旋转动力机械，在无人机、靶机、航模动力、分布式发电站、便携能源及地面车辆混合动力系统等军用、民用领域有着广阔的使用前景。掌握这类发动机的设计制造技术不但可以提高我国航空发动机的设计水平，减少对外技术依赖性，还可以促进地面动力系统的现代化发展，具有重要的战略意义和经济价值。国家自“十五”计划以来，重点发展微型转子动力机械的研发，以期尽快减小并赶上国外先进技术水平。微型旋转动力机械虽然在结构上与大型航空发动机相似，但在设计上又有自身独有的特点。微型发动机转速以万转计，可达200000r/min，不平衡质量造成的强迫振动比较严重。另外，设计中为追求高效率、低油耗，希望将转静件间隙减小至极致，这样就会导致转静件碰摩故障的频繁发生。如何解决上述矛盾，消除转子碰摩题目或使转子系统在碰摩存在的情况下维持使用功能，是微型涡喷发动机设计需要解决的关键题目之一。本课题基于国家“985工程”计划项目-系列化微型涡喷发动机-WP25机型的研发工作，以寻找转子系统碰摩原因和解决碰摩故障为目的，主要研究了超高速转子系统动力学特性、设计了转子减振增稳的工程解决措施、提出一种转子碰摩故障在线识别方法。一方面研究并掌握WP25转子系统的动力学特征，为寻找碰摩原因建立依据；另一方面，为系列化机型设计积累经验。首先，介绍了WP25微型涡喷发动机的整体结构和转子系统结构，表明了该转子系统的结构特点。利用有限元法对转子系统进行了模态分析，指出了临界转速、模态振型等固有特征，并计算了转子的转速裕度。其次，利用动力系统的混沌、分岔理论研究了单跨双悬臂盘转子的动力学特性，以及系统参数变化对动力特性的影响规律。利用对比分析的方法，分别建立了无故障转子系统、单盘碰摩（碰摩力分别作用在压气机端和涡轮端）转子系统的动力学方程；通过数值计算得出系统动力学特性及其随系统参数变化的规律。接着，设计了干摩擦阻尼减振器，实验验证了该装置的有效性及可行性。微型涡喷发动机转子在高转速涡动过程中具有高频低幅的特点。根据该特点，利用多层重叠安置的干摩擦阻尼片随转子系统同频涡动，摩擦片间产生相对运动散涡动能，达到衰减涡动、减振增稳的目的。最后，提出了一种快速识别转子碰摩故障的方法。该方法基于振动加速度谱图，以能量的观点分析谱图，可以准确确定转子碰摩状态或碰摩次数。通过四种机型，多台样机的验证，证明了该方法的有效性和可靠性。该方法适用于工程中快速识别转子碰摩故障状态。

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