航空动力学报
JOURNAL OF AEROSPACE POWER
1998年 第4期 No.4 1998科技期刊
弹性—多孔挤压油膜阻尼支承
在发动机上的应用研究
周　明*　*　李其汉　赵福安
北京航空航天大学
【摘要】　根据某核心机转子支承系统动力特性的理论分析结果，为其设计了弹性支承和多孔质挤压油膜阻尼器(PSFD)，以调整其临界转速并控制振动。将弹性支承和PSFD安装在该核心机上进行试车的结果表明，理论计算与试验结果吻合得很好，临界转速调整到了预期值，阻尼器的减振效果显著。
　主题词：　转子　弹性支座　油膜　阻尼器
　分类号：　V231.96
1　前　言
　　新型多孔质挤压油膜阻尼器(PSFD)是北航405教研室在SFD基础上研制、开发的更有效的阻尼器。研究表明，与SFD比较，它可以降低油膜刚度的高度非线性并提供相对更大的阻尼，既能保留SFD原有的突出优点，又可克服因不平衡量大导致油膜刚度高度非线性，易出现双稳态、临界转速过不去（“锁死”）以及非协调进动的缺点［1，2］。
　　某核心机原转子支承结构，在工作转速范围内有两阶临界转速出现，一阶为8700 r/min左右，二阶为15200 r/min左右，后者很接近最大工作转速。为了确保安全可靠地试车运行，必须调整其临界转速和减振，为此根据其支座刚度和临界转速计算值，设计了弹性支承，以调整临界转速；根据稳态不平衡响应计算结果，设计了PSFD，以控制转子系统振动。地面台架试车表明，弹性支承加PSFD取得了预期效果，首次在发动机上获得了成功应用。
2　某核心机的转子动力特性
2．1　转子支承刚度和临界转速计算
　　支承刚度是影响转子动力特性的重要因素，改变支承刚度是调整转子临界转速的有效途径。本文用有限元素法计算了前支承刚度［3］，其后支承刚度取所设计的弹性支承刚度。本文用常规传递矩阵法和子结构传递矩阵法［3］计算了某核心机多种支承刚度下转子—支承系统的临界转速。当前支点刚度为0.686×108 N/m，后支点刚度为1.57×108 N/m时， 一阶临界转速8580 r/min，二价临界转速15126 r/nim，三阶64424 r/min；当前支点刚度为0.686N/m，后支点刚度为0.098×108 N/m（即加弹性支承后）时，其一阶临界转速3087 r/min，二阶临界转速11236 r/min，三阶临界转速64365 r/min。
2．2　带油膜阻尼器的转子稳态不平稳响应
　　本文采用动坐标系复数平面上的传递矩阵法［3］，计算了某核心机的稳态不平稳响应。与传统的动坐标系传递矩阵法相比，它的突出特点是可以很方便地同时考虑多个位置和方向的不平衡力和多个油膜阻尼器。分别计算了某核心机后支点未带弹性支座和SFD的稳态不平衡响应，后支点带弹性支座加SFD和加PSFD转子的稳态不平稳响应，以此考察转子支承系统对不平衡力的敏感性，从而获得油膜阻尼器参数的最佳匹配。
表1　SFD和PSFD的响应对比

转速(r/min)1050011000170001800019000
SFD（ε）0.290
0.939
0.9500.350
0.946
0.9610.444
0.888
0.9250.352
0.908
0.9280.298
0.920
0.929
PSFD（ε）0.3050.3620.4510.3550.312

表1是油膜参数相同情况下SFD和PSFD的响应对比。在不平衡量较大(500 g*cm)时，SFD的响应出现了3个解，说明此时产生了非线性双稳态响应；而在同样情况下PSFD仍然只有一个解，未出现非线性响应。分析表明，由于PSFD较好地改善了油膜刚度的非线性特性，ε扩大到0.8左右也不致出现非线性的双稳态跳跃现象［2］。显然，PSFD比SFD能适应更大的不平衡量，从而扩大了挤压油膜阻尼器的适用范围。
3　弹性支承加PSFD在某核心机上的应用研究
3．1　未装弹性支承加PSFD的试车结果
　　某核心机在地面台上进行了未装弹性支承和PSFD的试车，图1和图2分别为压气机机

图1　压气机水平位置(a)和垂直位置(b)振动指示值曲线

图2　涡轮水平位置(a)和垂直位置(b)振动指示值曲线
匣及涡轮机匣处水平和垂直位置的某几次试车的振动指示值曲线。由图可以看出，在转子最大工作转速范围内出现了一阶临界转速，其值为8700 r/min左右；从过临界转速的振动指示值看出，压气机和涡轮水平方向的振动值比垂直方向大，压气机无论水平和垂直方向的振动值都比涡轮小。涡轮水平方向的振动值最大，达到8 g左右。从试车情况看，转子过临界转速时对加速性很敏感，必须很快通过，否则将会产生很大的振动。根据计算分析和转子系统的地面台架模态试验以及试车时传感器不同位置之间的传递函数分析得到，该转子系统的一阶临界转速为8700 r/min左右，二阶为15200 r/min左右，三阶大于60000 r/min。
3．2　安装了弹性支承和PSFD的试车结果
　　某核心机的二阶临界转速正好在发动机最大转速附近，因此，采用弹性支承和挤压油膜阻
　　　　　　
　　　　　　　　　　图3　鼠笼条式弹支　　　　　　　图4　多孔质油膜环
尼器调整临界转速和减振，以保证工作的可靠性是十分必要的。根据调整临界转速的要求和发动机的具体结构，设计了如图3所示的鼠笼条式弹性支座。根据稳态不平稳响应计算得出的油膜参数，设计了如图4所示的多孔质油膜环。其后支点弹性支座刚度0.098×108～0.294×108 N/m，阻尼油膜间隙半径比设计为2～3‰是适宜的。

图5　两次试验压气机处振动指示值曲线
将弹性支座（刚度为0.098×108N/m）和PSFD（油膜间隙比为3‰）安装于该核心机后支座上，在地面台上进行了试车。从涡轮与压气机水平位置振幅响应的传递函数图可以看到，在0～300 Hz内有两个振幅峰值点，分别位于3000 r/min和11200 r/min处，且在两峰值点处相位发生了很大变化。这表明，核心机转子系统后支点加弹性支承后有效地调整了转子系统的临界转速， 其一阶由原来的8700 r/min调整到3000 r/min左右，二阶由原来的15200 r/min调到11200 r/min左右，与理论计算值（一阶3087 r/min，二阶11236 r/min）非常一致。
　　图5和图6分别表示两次试车中压气机及涡轮机匣处的水平和垂直方向的振动值指示曲线。由图可以看出，加了弹性支承和PSFD后，压气机和涡轮水平及垂直方向的振动值峰值均显著下降。其中，压气机水平和垂直方向的振动值均比涡轮大，这是因为，弹性支承和PSFD加在后支点处，对涡轮的减振效果更好。

图6　两次试验涡轮处振动指示值曲线
从试车情况看，核心机过临界转速时振动峰值很小。通过一阶临界转速(3000 r/min)时，由于转速低，不平衡力小，没有出现明显的振动峰值；即使在缓慢地通过二阶临界转速(11200 r/min)时，压气机水平方向最大的振动峰值也未超过3 g。这表明，弹性支承和PSFD吸收耗散了振动能量，不仅使转子系统振动减小，而且使转子加速度敏感性大大降低，起到了很好的减振作用。
结论　本文所述理论计算是准确的，用弹性支座调整临界转速简便易行，研制的多孔质挤压油膜阻尼器减振效果显著，设计的弹性支座和PSFD在某核心机上的调频和减振效果突出。PSFD作为一种新型的挤压油膜阻尼器，首次在实际发动机上获得成功应用。
参　考　文　献
1　晏砺堂等．结构系统动力特性分析．北京：北京航空航天大学出版社，1989
2　张世平．高速旋转机械新型阻尼器：［博士学位论文］．1989
3　周明．某核心机转子动力特性分析及弹性支承和PSFD设计：［硕士学位论］．北京航空航天大学，1993
（责任编辑　王震华）
1997年12月收稿；1998年3月收到修改稿。
*　*男　34岁　博士　高工　北京航空航天大学405教研室　100083
