基于半主动磁流变阻尼器的民航发动机轴系故障抑制机理研究

The research on the mechanism of rotor system fault suppression based on semi-active MR damper has an important effect on improving the reliability and safety of civil aviation engine. There still need a further study on the dynamic characteristics of faulty rotor system, modeling for the MR damper and the semi-active control strategy. Therefore, several research contents are put forward as follows: (1) the coupling fault model of blade-casing and shaft crack is introduced into the dynamic model of the whole civil aviation engine low pressure rotor. Influences of single/coupling fault parameters to the vibration response and stability are studied; (2) the damper structure is designed according to the MR fluid mechanical characteristics and working parameters of the rotor system. Optimizing the MR damper by studying the connection of damper parameters and vibration response of fault rotor system, and revealing the laws of failure restraint;(3) by studying the laws of vibration response and motion stability of faulty rotor system with the MR damper, a method of semi-active control to improve the stability and applicability of MR damper is proposed. This project provides reference and guidance for the intelligent vibration reduction technology of civil aviation engine shafting, and has important theoretical and practical value.

基于半主动磁流变阻尼器的转子系统故障抑制机理研究对于提高民航发动机运行可靠性及安全性有重要影响。针对目前故障状态下发动机轴系整机振动特性研究不够充分、磁流变阻尼器建模及半主动控制策略研究不够深入的问题，提出如下研究内容：（1）在民航发动机低压转子整机动力学模型基础上，引入叶片-机匣碰摩故障和裂纹故障的耦合效应，分析单一故障及耦合故障下的整机振动响应及其稳定性随故障参数的演化规律；（2）依据磁流变液的力学特性及转子轴系工作参数进行阻尼器结构设计，通过研究磁流变液阻尼器的控制参数与单一/故障状态下对转子轴系振动响应之间影响关系，对阻尼器进行优化，并揭示其故障抑制机理；（3）基于考虑磁流变阻尼器的故障状态民航发动机转子系统，研究其振动响应及运动稳定性变化规律，提出一种提高阻尼器的工作适应性及稳定性的半主动控制方法。本项目为民航发动机轴系的智能减振技术提供参考和指导依据，具有重要的理论及应用价值。

掌握民航发动机轴系典型故障机理，运用先进振动控制方法和技术进行发动机轴系故障抑制已成为民航客机提高运营安全性及经济性的重要技术措施。现有的传统阻尼减振技术研究还不能满足民航发动机各种状态下的实际需求，为此，本项目以磁流变阻尼器(MRD)为研究对象，主要开展以下研究：1）建立了叶片与可磨耗涂层碰摩故障模型，搭建了可模拟不对中及碰摩故障的磁流变阻尼器-转子实验台，分析了故障转子系统的振动特性。结果表明:叶片-机匣碰摩故障导致转子振动集中在基频和多倍基频；不对中-碰摩耦合故障转子系统振动幅值远大于叶片-机匣碰摩转子系统振动幅值。随着转速的升高，基频和2倍频幅值增加，3倍、4倍等高倍频产生非线性变化；2）设计并研制出一种双线圈磁流变阻尼器，提出磁流变阻尼器优化设计方法。通过多维度磁场测量实验台对油膜工作面处的磁场测量，发现不同激励电流下双线圈磁流变阻尼器的测量值与仿真值都能较好的吻合；提出了一种利用MRD提高转子系统碰摩自适应能力的新方法，建立了基于MRD的碰摩故障转子系统有限元模型，分析了磁流变阻尼器对碰摩故障转子系统的影响机理。结果表明，合适的电流作用下，MRD能有效降低转子系统的振动，防止碰摩故障的发生，尤其在临界转速处，能使振动幅值降低62.79%。如果碰摩不可避免，MRD可通过将电流调整为适合的值，使故障频率幅值降低90%以上，有效的缓解碰摩故障程度；3）基于磁流变阻尼器对转子振动抑制规律和特点，提出并设计了基于转速的开关和分段控制策略，并对两种控制策略分别进行了研究。结果表明，两种控制策略均能有效抑制转子振动，使临界区转子振动幅值控制在190 μm以内，减振效果明显。本课题揭示了单一及耦合故障机理，结合故障特征与MRD的可变刚度、阻尼特性，基于开关和分段控制策略，实现了故障转子系统在局部工况下的智能半主动控制。