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基于主控式弹支干摩擦阻尼器的航空发动机转子系统振动控制方法研究

王程阳 王四季 刘源 翟鹏杰 张晋琪 陈自豪 廖明夫

王程阳, 王四季, 刘源, 等. 基于主控式弹支干摩擦阻尼器的航空发动机转子系统振动控制方法研究[J]. 航空动力学报, 2025, 40(10):20230529 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230529
引用本文: 王程阳, 王四季, 刘源, 等. 基于主控式弹支干摩擦阻尼器的航空发动机转子系统振动控制方法研究[J]. 航空动力学报, 2025, 40(10):20230529 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230529
WANG Chengyang, WANG Siji, LIU Yuan, et al. Research on vibration control methods of aircraft engine rotor system based on an active elastic support/dry friction damper[J]. Journal of Aerospace Power, 2025, 40(10):20230529 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230529
Citation: WANG Chengyang, WANG Siji, LIU Yuan, et al. Research on vibration control methods of aircraft engine rotor system based on an active elastic support/dry friction damper[J]. Journal of Aerospace Power, 2025, 40(10):20230529 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230529

基于主控式弹支干摩擦阻尼器的航空发动机转子系统振动控制方法研究

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230529
基金项目: 国家科技重大专项(J2019-Ⅳ-0005-0072)
详细信息
    作者简介:

    王程阳(1999-),男,博士生,研究领域为航空发动机转子振动主动控制。E-mail:chengyangwang@mail.nwpu.edu.cn

    通讯作者:

    王四季(1981-),男,副教授,博士,研究领域为航空发动机转子振动控制。E-mail:sjwang@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: V231.96

Research on vibration control methods of aircraft engine rotor system based on an active elastic support/dry friction damper

  • 摘要:

    为满足高性能航空发动机对转子振动主动控制的需要,基于主控式弹支干摩擦阻尼器建立主动控制模型并根据模态控制策略,设计开关控制器与PI(proportional-integral)控制器,然后以某型航空发动机高压转子试验器为对象开展仿真分析并进行试验验证。结果表明:根据模态控制策略设计的开关控制和PI控制方法有效地控制了转子通过临界转速的振动,减振最高可达96.17%。此外,相较于开关控制方法,PI控制方法更有利于转子稳定性,能以更低的控制代价实现控制目标且具有针对多种工况振动实时应变的控制能力。

     

  • 图 1  高压转子有限元模型及阻尼器结构示意图

    Figure 1.  Finite element model of rotor system and structure diagram of damper

    图 2  转子振型和应变能分布

    Figure 2.  Mode shapes of rotor and strain energy distribution

    图 3  摩擦力分解

    Figure 3.  Friction decomposition

    图 4  被动控制转子不平衡响应

    Figure 4.  Unbalanced rotor response under passive control

    图 5  控制区域

    Figure 5.  Control area

    图 6  开关控制和被动控制转子不平衡响应对比

    Figure 6.  Comparison of unbalanced responses of rotors under switch control and passive control

    图 7  PI控制器结构图

    Figure 7.  PI controller structure diagram

    图 8  不同控制方法转子不平衡响应对比

    Figure 8.  Comparison of rotor unbalance response under different control methods

    图 9  不同控制方法正压力对比

    Figure 9.  Pressure comparison of different control methods

    图 10  不同控制方法下转子的不平衡响应曲线(2倍不平衡量)

    Figure 10.  Unbalanced response curve of rotor under different control methods (2 times unbalance)

    图 11  某型发动机高压转子试验器实物图

    Figure 11.  High-pressure rotor simulation experimenter for a certain type of engine

    图 12  无阻尼器转子不平衡响应

    Figure 12.  Unbalanced response of rotor without damper

    图 13  无阻尼器试验开关控制区域划分

    Figure 13.  Switch control area division in experiment without damper

    图 14  试验不同控制方法转子不平衡响应对比

    Figure 14.  Experimental comparison of rotor unbalance response under different control methods

    图 15  试验不同控制方法电压随转速变化对比

    Figure 15.  Comparison of experimental voltage with speed under different control methods

    图 16  不同控制方法下转子的幅频曲线(非设计工况)

    Figure 16.  Amplitude-frequency curve of rotor under different control methods (non-design working conditions)

    表  1  转子关键参数

    Table  1.   Key parameters of rotor

    参数 数值或说明
    1支点刚度k/106 (N/m) 3.20
    2支点刚度k/106 (N/m) 3.85
    不平衡量/(g·cm) 32
    动摩擦片材料
    静摩擦片材料
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    表  2  阻尼器组合及相应正压力

    Table  2.   Damper combination and corresponding pressure

    参数 数值或说明
    1阶 2阶
    控制目标幅值/µm 20 20
    阻尼器 1支点 2支点 1支点 2支点
    正压力/N 49 24 0 180
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    表  3  开关控制区域划分

    Table  3.   Switch control area division

    参数 数值或说明
    控制区域1 控制区域2
    开始/结束 开始 结束 开始 结束
    转速w/(r/min) 1 930 2310 4710 5660
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    表  4  开关控制正压力

    Table  4.   Pressure used for switch control

    参数 数值或说明
    控制区域1 控制区域2
    阻尼器 1支点 2支点 1支点 2支点
    正压力/N 49 24 0 180
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    表  5  PI控制参数

    Table  5.   PI control parameters

    项目   数值或说明
    控制区域 1 控制区域2
    阻尼器 1支点 2支点 1支点 2支点
    控制参数 Kp Ki Kp Ki Kp Ki Kp Ki
    数值/106 0.16 0.16 0.08 0.08 0 0 1.8 2.1
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    表  6  不同控制方法下的控制效果和控制代价对比

    Table  6.   Comparison of control effect and control cost of different control methods %

    项目 控制效果 控制代价
    模态 1阶 2阶 1阶 2阶
    被动控制(1阶) 91.97 100
    被动控制(2阶) 80.18 100
    开关控制 91.97 80.18 5.85 14.60
    PI控制 89.35 80.11 4.29 11.13
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    表  7  不同控制方法的控制效果和目标满足情况对比(非设计工况)

    Table  7.   Comparison of control effect and target satisfaction under different control methods (non-design working conditions)

    控制方法 控制效果/% 控制目标
    满足情况
    1阶模态 2阶模态
    开关控制 49.96 41.58 未满足
    PI控制 95.74 90.04 满足
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    表  8  传感器技术参数

    Table  8.   Technical parameters of sensors

    参数数值或说明
    传感器类型光电传感器位移传感器
    型号B&K P-84B&K IN-085
    精度/(mV/µm)8
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    表  9  开关控制试验区域划分

    Table  9.   Area division of switch control experiment

    参数 数值或说明
    控制区域1 控制区域2
    开始/结束 开始 结束 开始 结束
    转速w/(r/min) 2 000 2400 4600 5400
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    表  10  开关控制试验所用电压

    Table  10.   Voltage of switch control experiment

    参数 数值或说明
    控制区域1 控制区域2
    阻尼器 1支点 2支点 1支点 2支点
    电压/V 55 0 0 55
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    表  11  试验PI控制参数

    Table  11.   Control parameters of PI control experiment

    项目 数值或说明
    控制区域 1 控制区域2
    阻尼器 1支点 2支点 1支点 2支点
    控制参数 Kp Ki Kp Ki Kp Ki Kp Ki
    数值/106 0.8 0.03 0 0 0 0 0.8 0.05
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    表  12  试验不同控制方法下的控制效果和控制代价对比

    Table  12.   Comparison of control effect and control cost of different control method experiments %

    项目控制效果控制电压
    模态1阶2阶1阶2阶
    被动控制(1阶)90.89100
    被动控制(2阶)95.50100
    开关控制90.9396.177.7815.39
    PI控制88.0188.724.3312.35
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  • 收稿日期:  2023-08-16
  • 网络出版日期:  2025-05-09

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