弹性环式挤压油膜阻尼器-转子系统动力特性试验研究

李兵，程定春，江志敏

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.四川成发航空科技股份有限公司，成都610503；3.中国燃气涡轮研究院，成都610500）

弹性环式挤压油膜阻尼器-转子系统动力特性试验研究

李兵1，程定春2，江志敏3

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.四川成发航空科技股份有限公司，成都610503；3.中国燃气涡轮研究院，成都610500）

弹性环式挤压油膜阻尼器（ERSFD）将减振与调频功能融为一体，既保留了挤压油膜阻尼器（SFD）的优点，又改善了SFD的油膜非线性特性，具有较好的应用前景。以数值分析为辅、试验手段为主，分析了ERSFD-转子系统在弹性环凸台高度、供油条件、滑油温度和不平衡量等因素影响下的动力学特性，并综合各因素的影响结果，得出了试验的三种弹性环凸台高度中，弹性环凸台高度较小的ERSFD支承下，转子的动力特性较为理想。

挤压油膜阻尼器；弹性环；转子；动力特性；支撑刚度；流固耦合

1　引言

俄罗斯研究人员将弹性环与挤压油膜阻尼器（SFD）相结合，发展出了弹性环式挤压油膜阻尼器（ERSFD），并成功应用于航空发动机。ERSFD中弹性环将油腔分为内外油腔，既充分发挥了SFD减振效果明显、结构简单、可靠性高、成本低等突出优点，又改善了其油膜刚度的高度非线性，具有更好的减振性能，并在俄制航空发动机中得到广泛使用［1］。

国内学者对ERSFD减振机理进行了大量研究。周明等［2-4］通过建立ERSFD油膜压力场的数学模型并进行求解，初步分析了ERSFD的减振机理。洪杰等［5］基于有限元挤压油膜理论，对ERSFD的弹性环支承刚度、油膜压力场分布和油膜阻尼等特性进行了研究。曹磊和高德平等［6-7］从弹性环的刚度特性、ERSFD油膜力特性和ERSFD转子动力特性三个方面，对ERSFD的减振机理进行了研究，并分析了转子系统的临界转速特性。吕晓光等［8］建立了挤压油膜阻尼器-滑动轴承-柔性转子非线性系统的动力学模型并求解，对系统的稳定性和分叉行为进行研究。康召辉等［9］提出了考虑外层油膜剪切效应的弹性环式挤压油膜系统的新的三维动力学模型。

上述研究大多基于理论基础，为更直接研究ERSFD的减振机理，本文考虑ERSFD中弹性环与油膜的流固耦合作用，从数值和试验两方面，对ERSFD-转子系统的动力特性进行分析。

2　ERSFD-转子系统数值分析

2.1前支点的非线性分析

对于前支点，其支承刚度非线性主要来自轴承和ERSFD油膜非线性特性。在ERSFD设计中，凸台高度设计过低，转子系统只能在较小的不平衡量下才能正常工作，不平衡量一旦超过允许值范围，将导致ERSFD刚度呈非线性趋势突增，转子系统不稳定工作；凸台设计过高，其油膜阻尼会大大降低，使得ERSFD作为阻尼器的作用变小，阻尼孔处流体高速流动产生的冲击力会影响转子系统产生非线性，导致整个转子系统振动变大。此外，供油压力、温度及端面密封情况，均会带来一定的非线性影响。

2.2ERSFD的刚度特性

通过建立ERSFD流固耦合有限元模型，对ERSFD的刚度进行分析计算。模型由流体模型和结构模型通过流固耦合边界条件连接在一起。

2.2.1弹性环只受机械载荷时的刚度

弹性环仅在机械载荷作用下，对其使用带厚度的平面应力单元进行有限元二维计算。取弹性环的整圈模型，建立两个刚性的圆圈分别模拟轴承外环和轴承座内环。对外环固支，在内环上施加X方向δ=0.2 mm的强迫位移模拟最大振幅，求得X方向的支反力F，再由公式K=F/δ计算得到刚度。从表1中可看出，只考虑机械载荷时，弹性环刚度随凸台高度的增加而逐渐变大，使得前支点刚度随凸台高度的增大而增大。

2.2.2ERSFD刚度

通过流固耦合方法计算，可得到ERSFD在轴颈涡动强迫位移和流体压强共同作用下，弹性环的变形情况及弹性环内、外凸台处与轴承座和刚性支座接触产生的接触力，进而得到ERSFD在相应偏心距下的刚度。

表1　只考虑机械载荷下弹性环刚度计算结果Table 1 Stiffness of elastic ring under mechanical load

表2　流固耦合作用下弹性环式挤压油膜阻尼器刚度计算结果Table 2 Stiffness of elastic ring under the fluid-solid coupling effect

图1　不同载荷下的弹性环变形Fig.1 Deformation of elastic ring under the different loads

从表2和图1可看出，流体对弹性环的变形影响较大，ERSFD在考虑流固耦合作用下，其刚度随着轴颈偏心距的变化呈现出非线性变化；刚度与凸台高度间不存在线性关系，0.5 mm凸台高度下ERSFD刚度随载荷变化较线性，其刚度特性表现最好。

2.3转子系统对刚度的敏感度

试验转子共有两个支点，后支点为鼠笼弹支，其刚度K2=3.07×107N/m；前支点为ERSFD和鼠笼弹支。通过改变前支点支承刚度K1，分析线性支承下转子对前支点刚度的敏感度。

由图2中计算结果分析，转子一阶、二阶临界转速随K1的增大而变大，二阶临界转速与K1呈线性变化，K1变化对一阶临界转速影响较大。转子一阶临界转速对K1变化的敏感度逐渐减弱，K1越大，转子一阶临界转速变化率越小。

图2　转子动力特性对前支点支承刚度的敏感度Fig.2 The sensitivity results of rotor dynamic characteristics for the stiffnessK1

3　试验分析

3.1试验内容

试验转子及设备见图3。通过改变弹性环凸台高度、供油条件等，获取试验转子不平衡量分别为0（≯3 g·cm）、20 g·cm、50 g·cm、80 g·cm四个等级载荷下转子动力响应的影响规律，并以此分析ERSFD凸台高度、供油条件和滑油温度对转子动力特性的影响。

图3　临界转速模拟试验器Fig.3 The tester of critical speed

3.2ERSFD无油状态转子的动力特性

从图2、图4可以看出，第一个临界峰值在8 000 r/min附近，与理论计算仅考虑鼠笼刚度时转子的一阶临界转速基本一致；前支点的刚度为鼠笼与弹性环的并联刚度，当不平衡量增大时，弹性环变形增加，保持接触状态的凸台数目减少，弹性环刚度对支点刚度的贡献减少，前支点的刚度减小，故随着不平衡量的增大，一阶峰值转速随之呈减小趋势。凸台高度越低，相应的一阶峰值频率越低，前支点刚度也越小，但采用0.5 mm凸台高度弹性环，有利于调整前支点刚度在合理范围内，且随着不平衡量变化平缓，一阶峰值频率变化也较平缓。图5所示转子振动响应也证实了理论计算的正确性。

图4　转子一阶峰值频率随不平衡量的变化Fig.4 The first order peak frequency of rotor vary with unbalance

图5　转子不平衡量为20 g·cm时前支点处的振动响应Fig.5 Vibration response atK1（20 g·cm）

3.3不同供油温度下转子的动力特性

从图6（a）中结果可以看出，在ERSFD弹性环之间充滑油时，三种凸台高度的ERSFD支承下，转子一阶峰值频率均表现出一定的非线性特性，但频率波动范围较小。与图6（b）相比较可以看出，随着滑油温度的变化，0.2 mm、0.5 mm凸台高度的ERSFD支承下，转子一阶峰值频率较为稳定，具有较好的动力特性；而0.8 mm凸台高度的ERSFD支承下，转子一阶峰值频率变化较大，动力特性较差。与图4相比较可以看出，在弹性环之间充满滑油时，转子一阶峰值频率增加，说明转子运转过程中，油膜刚度的存在使得整个前支点的刚度增加。对于ERSFD系统，控制其刚度的关键因素是弹性环的刚度和油膜刚度，而这两者又相互影响：不平衡量增大，轴颈偏心率增大，弹性环变形增大，凸台接触数量较少，弹性环刚度减小；油膜刚度增加，但油膜刚度增加相对弹性环刚度减小占优，故支点刚度总体上呈上升趋势，所以导致转子一阶峰值频率增大。

图6　临界转速随不平衡量的变化曲线Fig.6 The curve of critical speed vary with unbalance

表3给出了不同凸台高度弹性环支承下，前支点在不同滑油温度下的振幅。可见，0.2 mm、0.8 mm凸台高度对应的前支点振幅随温度的升高而变大，0.5 mm凸台高度对应的前支点振幅相对变化较小，ERSFD具有较好的阻尼效果。滑油温度过高会使其粘度显著下降，一方面会导致润滑和冷却效果不佳，另一方面会减弱挤压油膜阻尼器的减振效果，但相比于无油状态，可以看出充油后ERSFD的阻尼效果。另外，试验中还发现凸台高度较低时，不平衡量增大到一定值，弹性环会产生碰摩，ERSFD的非线性会激增。

表3　转子不平衡量为20 g·cm时前支点的振幅Table 3 The amplitude ofK1（20 g·cm）

4　结论

本文考虑了ERSFD中弹性环与油膜的流固耦合作用，通过理论分析与试验得出如下结论：

（1）ERSFD中不充油时，前支点刚度随凸台高度在一定范围内增加而变大。

（2）凸台高度较低时，ERSFD中油膜特性表现占优，凸台高度较大时，弹性环刚度特性表现占优。本文研究中，凸台高度为0.5 mm的弹性环，能有效改善油膜的非线性特性，在该凸台高度的ERSFD支承下，转子的动力特性及其阻尼效果最佳。

（3）试验结果与数值模拟结果基本吻合，利用流固耦合模型对ERSFD进行数值分析具有较好的准确性。

（4）ERSFD中滑油温度过高会使其粘度显著下降，减弱挤压油膜阻尼器的减振效果，但对一阶临界转速影响相对较小。

［1］闻邦椿，顾家柳，夏松波，等.高等转子动力学［M］.北京：机械工业出版社，1999：270—272.

［2］周明，李其汉，晏砺堂.弹性环式挤压油膜阻尼器减振机理研究（1）—弹性环式挤压油膜阻尼器减振机理模型［J］.燃气涡轮试验与研究，1998，11（4）：19—23.

［3］周明，李其汉，晏砺堂.弹性环式挤压油膜阻尼器减振机理研究（2）—弹性环式挤压油膜阻尼器油膜力特性的求解［J］.燃气涡轮试验与研究，1999，12（1）：30—33.

［4］周明，李其汉，晏砺堂.弹性环式挤压油膜阻尼器油膜力特性研究［J］.燃气涡轮试验与研究，1998，11（3）：17—23.

［5］洪杰，邓吟，张大义.弹性环式挤压油膜阻尼器动力设计方法［J］.北京航空航天大学学报，2006，32（6）：649—653.

［6］曹磊，高德平，江和甫.弹性环式挤压油膜阻尼器减振机理初探［J］.振动工程学报，2007，20（6）：584—588.

［7］曹磊，高德平，江和甫.弹性环挤压油膜阻尼器-转子系统临界转速特性［J］.推进技术，2008，29（2）：235—239.

［8］吕晓光，赵玉成，卢纪.挤压油膜阻尼器-滑动轴承-柔性转子系统的动力响应分析［J］.应用力学学报，2007，24（3）：46—49.

［9］康召辉，任兴民，王鸷.弹性环式挤压油膜系统新的三维动力学模型［J］.机械强度，2009，31（6）：892—895.

Experiment study on dynamic characteristics of elastic ring squeeze film damper rotor system

LI Bing1，CHENG Ding-chun2，JIANG Zhi-min3
（1.School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.AVIC Chengdu Engine（Group）Co.LTD，Chengdu 610503，China；3.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Elastic ring squeeze film damper（ERSFD）integrates the functions of damping and frequency modulation（FM）.It not only retains the advantages of squeeze film dampers（SFD），but also improves the film nonlinear characteristics of SFD，which has good application prospects.Based on means of trials，supplemented by numerical analysis，the dynamic characteristics of ERSFD-rotor system were analyzed under the influence of different factors，including an elastic ring bossed height，fuel conditions，the oil temperature and unbalance.Synthesizing from the outcomes of rotor dynamic characteristics affected by different factors，it is found that the dynamic characteristics of the rotor system are better supported by smaller elastic ring bossed height among three elastic ring boss heights.

squeeze oil film damper；elastic ring；rotor；dynamic characteristics；supporting stiffness；fluid-solid coupling

V231.96

A

1672-2620（2015）04-0019-04

2014-11-04；

2015-08-10

李兵（1988-），男，四川射洪人，硕士研究生，研究领域为航空发动机结构强度振动。