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带有挤压油膜阻尼器的转子系统动力学相似设计

刘准 廖明夫 邓旺群 杨海

刘准, 廖明夫, 邓旺群, 等. 带有挤压油膜阻尼器的转子系统动力学相似设计[J]. 航空动力学报, 2023, 38(3):546-557 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210462
引用本文: 刘准, 廖明夫, 邓旺群, 等. 带有挤压油膜阻尼器的转子系统动力学相似设计[J]. 航空动力学报, 2023, 38(3):546-557 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210462
LIU Zhun, LIAO Mingfu, DENG Wangqun, et al. Dynamic similarity design of rotor system with squeeze film damper[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(3):546-557 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210462
Citation: LIU Zhun, LIAO Mingfu, DENG Wangqun, et al. Dynamic similarity design of rotor system with squeeze film damper[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(3):546-557 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210462

带有挤压油膜阻尼器的转子系统动力学相似设计

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210462
基金项目: 国家科技重大专项(2017-Ⅳ-0001-0038)
详细信息
    作者简介:

    刘准(1993-),男,博士生,研究领域为航空发动机转子动力学

    通讯作者:

    廖明夫(1960-),教授,博士,研究领域为航空发动机结构动力学、风能工程。E-mail:mfliao@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: V235.13

Dynamic similarity design of rotor system with squeeze film damper

  • 摘要:

    针对航空发动机中常见的带有挤压油膜阻尼器 (SFD)转子的动力学相似问题,建立了一种相似建模方法。从带有阻尼的转子的振动微分方程着手,通过方程分析法推导了转子振动过程中的不平衡力相似关系和阻尼力相似关系。以挤压油膜阻尼器的油膜力和油膜方程为基础建立了挤压油膜阻尼器参数与转子相似参数之间的数学关系,并给出了相应的工程设计方法。以某带有挤压油膜阻尼器的单转子系统为例,建立了带有挤压油膜阻尼器的相似转子系统,使用有限元法分析了该转子系统与其相似系统的动力学特性,分析结果显示:在仅考虑转子系统内挤压油膜阻尼器阻尼的情况下相似系统的不平衡响应与原转子系统不平衡响应误差低于1%。

     

  • 图 1  迭代设计流程

    Figure 1.  Iterative design process

    图 2  转子系统模型

    Figure 2.  Model of rotor system

    图 3  系统1模态振型

    Figure 3.  Mode vibration shape of system 1

    图 4  系统2模态振型

    Figure 4.  Mode vibration shape of system 2

    图 5  线性阻尼下系统1不平衡响应

    Figure 5.  Unbalance response under linear damping of system 1

    图 6  线性阻尼下系统2不平衡响应

    Figure 6.  Unbalance response under linear damping of system 2

    图 7  挤压油膜阻尼器线性状态下系统1偏心比

    Figure 7.  Eccentricity ratio of system 1 under linear state of SFD

    图 8  挤压油膜阻尼器线性状态系统2偏心比

    Figure 8.  Eccentricity ratio of system 2 under linear state of SFD

    图 9  SFD非线性状态系统1偏心比

    Figure 9.  Eccentricity ratio under SFD nonlinear state of system 1

    图 10  SFD非线性状态系统2偏心比

    Figure 10.  Eccentricity ratio under SFD nonlinear state of system 2

    图 11  系统2全油膜不平衡响应

    Figure 11.  Unbalance response under non-cavitated film of system 2

    图 12  系统1全油膜与半油膜状态不平衡响应对比

    Figure 12.  Unbalance response under non-cavitated and cavitated oil film of system 1

    表  1  相似关系表

    Table  1.   Similarity relationship list

    参数名称参数符号相似关系参数间的关系
    系统1系统2
    材料弹性模量$ E' $$ E $$E' = {\lambda _{{E} } }E$
    材料密度$\,\rho '$$\,\rho$$\,\rho ' = {\lambda _{\rho } }\rho$
    径向尺寸$ d' $$ d $$d' = {\lambda _{{d} } }d$
    振动幅值$ Z' $$ Z $$Z' = {\lambda _{{Z} } }Z$${\lambda _{{d} } } = {\lambda _{{Z} } }$
    偏心量$ \varepsilon ' $$ \varepsilon $$ \varepsilon'= {\lambda _{{\varepsilon }}}\varepsilon $${\lambda _{ {\varepsilon } } } = {\lambda _{{d} } } = {\lambda _{{Z} } }$
    长度$ l' $$ l $$l' = {\lambda _{{l} } }l$
    轴向位置$ x' $$ x $$x' = {\lambda _{{x} } }x$${\lambda _{{x} } } = {\lambda _{{l} } }$
    临界转速$ \omega ' $$ \omega $$\omega ' = {\lambda _{\omega} }\omega$
    转子转速$\varOmega '$$\varOmega$$\varOmega ' = {\lambda _{ {\varOmega } } }\varOmega$${\lambda _{ {\varOmega } } } = {\lambda _{\omega } }$
    时间$ t' $$ t $$t' = {\lambda _{{t} } }t$
    质量$ m' $$ m $$m' = {\lambda _{{m} } }m$
    单位长度质量$ U' $$ U $$U' = {\lambda _{{U} } }U$${\lambda _{{U} } } = {\lambda _{{m} } }\lambda _{{x} }^{ {{ - 1} } } = {\lambda _{\rho } }\lambda _{{d} }^{{2} }$
    转动惯量$ I' $$ I $$I' = {\lambda _{{I} } }I$${\lambda _{{I} } } = \lambda _{{d} }^{{4} }$
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    表  2  挤压油膜阻尼器参数相似关系表

    Table  2.   Similarity relationship list of SFD parameters

    参数名称参数符号相似关系
    系统1系统2
    滑油黏度$\,\mu '$$\,\mu$$\,\mu ' = {\lambda _{\mu} }\mu$
    油膜长度${L'_{\text{c} } }$$ {L_{\text{c}}} $${L'_{\text{c} } } = {\lambda _{ { { {L} }_{\text{c} } } } }{L_{\text{c} } }$
    油膜半径${R'_{\text{c} } }$$ {R_{\text{c}}} $${R'_{ {\text{c} } } } = {\lambda _{ { { {R} }_{\text{c} } } } }{R_{\text{c} } }$
    油膜间隙${C'_{\text{r} } }$$ {C_{\text{r}}} $${C'_{\text{r} } } = {\lambda _{ { { {C} }_{\text{r} } } } }{C_{\text{r} } }$
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    表  3  相似参数表

    Table  3.   Similarity parameters list

    相似参数相似比符号相似比
    弹性模量${\lambda _{{E} } }$1
    密度${\lambda _{\rho } }$1
    轴向尺寸${\lambda _{{l} } }$0.8
    径向尺寸${\lambda _{{d} } }$0.8
    偏心量${\lambda _{{\varepsilon }}}$0.8
    转速${\lambda _{\omega}}$1.25
    阻尼值${\lambda _{{c} } }$0.64
    不平衡质量${\lambda _{\rm{ub}}}$0.4096
    滑油黏度${\lambda _{\mu } }$1
    油膜长度${\lambda _{ {{L_{\rm{c}}} } } }$0.7427
    油膜半径${\lambda _{ { {{R} }_{\text{c} } } } }$0.8
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    表  4  转子系统主要参数

    Table  4.   Main parameters of rotor system

    参数系统1系统2
    主轴长度/m0.6440.805
    支承跨距/m0.54080.676
    主轴半径/m0.02640.033
    盘1质量/kg8.350716.31
    盘2质量/kg9.702418.95
    盘1极转动惯量/(kg·m20.04520.138
    盘2极转动惯量/(kg·m20.06090.186
    1号支承刚度/109 (N/m)0.81
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    表  5  挤压油膜阻尼器主要参数

    Table  5.   Main parameters of SFD

    参数系统1系统2
    2号支承刚度/106 (N/m)2.63.2
    油膜长度/m0.00740.01
    油膜半径/m0.0540.0675
    油膜间隙/m0.0001280.00016
    油膜间隙比/‰2.372.37
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    表  6  线性阻尼下的不平衡响应

    Table  6.   Unbalance response of the rotor with linear damping

    参数系统1系统2参数目标相似比参数实际相似比
    不平衡量/(g·cm)6.144150.4100.410
    线性阻尼值/(N·s/m)64010000.640.64
    响应峰值转速/(r/min)422133761.251.25
    响应峰值/μm70.9488.580.800.80
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    表  7  挤压油膜阻尼器线性状态下的不平衡响应信息

    Table  7.   Unbalance response information under linear state of SFD

    参数系统1系统2参数目标相似比参数实际相似比
    不平衡量/(g·cm)2.04850.4100.410
    响应峰值转速/(r/min)423833901.251.25
    响应峰值/μm21.4926.780.8000.802
    偏心比峰值0.16790.16741.0001.003
    无量纲阻尼系数1.6391.6391.001.00
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    表  8  挤压油膜阻尼器双稳态信息

    Table  8.   SFD bi-stable information

    参数系统1系统2参数目标相似比参数实际相似比
    最低转速/(r/min)473637911.251.249
    最高转速/(r/min)484438771.251.249
    最低转速最大偏心比0.8150.81411.001
    最高转速最大偏心比0.8230.82111.002
    最低转速最小偏心比0.4670.46511.004
    最高转速最小偏心比0.6070.60211.008
    响应峰值105.2 μm131.2 μm0.80.802
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  • 收稿日期:  2021-08-20
  • 网络出版日期:  2022-11-04

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