彈性環式擠壓油膜阻尼器-轉子系統動力特性試驗研究

李兵，程定春，江志敏

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.四川成發航空科技股份有限公司，成都610503；3.中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

彈性環式擠壓油膜阻尼器-轉子系統動力特性試驗研究

李兵1，程定春2，江志敏3

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.四川成發航空科技股份有限公司，成都610503；3.中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

彈性環式擠壓油膜阻尼器（ERSFD）將減振與調頻功能融為一體，既保留了擠壓油膜阻尼器（SFD）的優點，又改善了SFD的油膜非線性特性，具有較好的應用前景。以數值分析為輔、試驗手段為主，分析了ERSFD-轉子系統在彈性環凸臺高度、供油條件、滑油溫度和不平衡量等因素影響下的動力學特性，并綜合各因素的影響結果，得出了試驗的三種彈性環凸臺高度中，彈性環凸臺高度較小的ERSFD支承下，轉子的動力特性較為理想。

擠壓油膜阻尼器；彈性環；轉子；動力特性；支撐剛度；流固耦合

1　引言

俄羅斯研究人員將彈性環與擠壓油膜阻尼器（SFD）相結合，發展出了彈性環式擠壓油膜阻尼器（ERSFD），并成功應用于航空發動機。ERSFD中彈性環將油腔分為內外油腔，既充分發揮了SFD減振效果明顯、結構簡單、可靠性高、成本低等突出優點，又改善了其油膜剛度的高度非線性，具有更好的減振性能，并在俄制航空發動機中得到廣泛使用［1］。

國內學者對ERSFD減振機理進行了大量研究。周明等［2-4］通過建立ERSFD油膜壓力場的數學模型并進行求解，初步分析了ERSFD的減振機理。洪杰等［5］基于有限元擠壓油膜理論，對ERSFD的彈性環支承剛度、油膜壓力場分布和油膜阻尼等特性進行了研究。曹磊和高德平等［6-7］從彈性環的剛度特性、ERSFD油膜力特性和ERSFD轉子動力特性三個方面，對ERSFD的減振機理進行了研究，并分析了轉子系統的臨界轉速特性。呂曉光等［8］建立了擠壓油膜阻尼器-滑動軸承-柔性轉子非線性系統的動力學模型并求解，對系統的穩定性和分叉行為進行研究。康召輝等［9］提出了考慮外層油膜剪切效應的彈性環式擠壓油膜系統的新的三維動力學模型。

上述研究大多基于理論基礎，為更直接研究ERSFD的減振機理，本文考慮ERSFD中彈性環與油膜的流固耦合作用，從數值和試驗兩方面，對ERSFD-轉子系統的動力特性進行分析。

2　ERSFD-轉子系統數值分析

2.1前支點的非線性分析

對于前支點，其支承剛度非線性主要來自軸承和ERSFD油膜非線性特性。在ERSFD設計中，凸臺高度設計過低，轉子系統只能在較小的不平衡量下才能正常工作，不平衡量一旦超過允許值范圍，將導致ERSFD剛度呈非線性趨勢突增，轉子系統不穩定工作；凸臺設計過高，其油膜阻尼會大大降低，使得ERSFD作為阻尼器的作用變小，阻尼孔處流體高速流動產生的沖擊力會影響轉子系統產生非線性，導致整個轉子系統振動變大。此外，供油壓力、溫度及端面密封情況，均會帶來一定的非線性影響。

2.2ERSFD的剛度特性

通過建立ERSFD流固耦合有限元模型，對ERSFD的剛度進行分析計算。模型由流體模型和結構模型通過流固耦合邊界條件連接在一起。

2.2.1彈性環只受機械載荷時的剛度

彈性環僅在機械載荷作用下，對其使用帶厚度的平面應力單元進行有限元二維計算。取彈性環的整圈模型，建立兩個剛性的圓圈分別模擬軸承外環和軸承座內環。對外環固支，在內環上施加X方向δ=0.2 mm的強迫位移模擬最大振幅，求得X方向的支反力F，再由公式K=F/δ計算得到剛度。從表1中可看出，只考慮機械載荷時，彈性環剛度隨凸臺高度的增加而逐漸變大，使得前支點剛度隨凸臺高度的增大而增大。

2.2.2ERSFD剛度

通過流固耦合方法計算，可得到ERSFD在軸頸渦動強迫位移和流體壓強共同作用下，彈性環的變形情況及彈性環內、外凸臺處與軸承座和剛性支座接觸產生的接觸力，進而得到ERSFD在相應偏心距下的剛度。

表1　只考慮機械載荷下彈性環剛度計算結果Table 1 Stiffness of elastic ring under mechanical load

表2　流固耦合作用下彈性環式擠壓油膜阻尼器剛度計算結果Table 2 Stiffness of elastic ring under the fluid-solid coupling effect

圖1　不同載荷下的彈性環變形Fig.1 Deformation of elastic ring under the different loads

從表2和圖1可看出，流體對彈性環的變形影響較大，ERSFD在考慮流固耦合作用下，其剛度隨著軸頸偏心距的變化呈現出非線性變化；剛度與凸臺高度間不存在線性關系，0.5 mm凸臺高度下ERSFD剛度隨載荷變化較線性，其剛度特性表現最好。

2.3轉子系統對剛度的敏感度

試驗轉子共有兩個支點，后支點為鼠籠彈支，其剛度K2=3.07×107N/m；前支點為ERSFD和鼠籠彈支。通過改變前支點支承剛度K1，分析線性支承下轉子對前支點剛度的敏感度。

由圖2中計算結果分析，轉子一階、二階臨界轉速隨K1的增大而變大，二階臨界轉速與K1呈線性變化，K1變化對一階臨界轉速影響較大。轉子一階臨界轉速對K1變化的敏感度逐漸減弱，K1越大，轉子一階臨界轉速變化率越小。

圖2　轉子動力特性對前支點支承剛度的敏感度Fig.2 The sensitivity results of rotor dynamic characteristics for the stiffnessK1

3　試驗分析

3.1試驗內容

試驗轉子及設備見圖3。通過改變彈性環凸臺高度、供油條件等，獲取試驗轉子不平衡量分別為0（≯3 g·cm）、20 g·cm、50 g·cm、80 g·cm四個等級載荷下轉子動力響應的影響規律，并以此分析ERSFD凸臺高度、供油條件和滑油溫度對轉子動力特性的影響。

圖3　臨界轉速模擬試驗器Fig.3 The tester of critical speed

3.2ERSFD無油狀態轉子的動力特性

從圖2、圖4可以看出，第一個臨界峰值在8 000 r/min附近，與理論計算僅考慮鼠籠剛度時轉子的一階臨界轉速基本一致；前支點的剛度為鼠籠與彈性環的并聯剛度，當不平衡量增大時，彈性環變形增加，保持接觸狀態的凸臺數目減少，彈性環剛度對支點剛度的貢獻減少，前支點的剛度減小，故隨著不平衡量的增大，一階峰值轉速隨之呈減小趨勢。凸臺高度越低，相應的一階峰值頻率越低，前支點剛度也越小，但采用0.5 mm凸臺高度彈性環，有利于調整前支點剛度在合理范圍內，且隨著不平衡量變化平緩，一階峰值頻率變化也較平緩。圖5所示轉子振動響應也證實了理論計算的正確性。

圖4　轉子一階峰值頻率隨不平衡量的變化Fig.4 The first order peak frequency of rotor vary with unbalance

圖5　轉子不平衡量為20 g·cm時前支點處的振動響應Fig.5 Vibration response atK1（20 g·cm）

3.3不同供油溫度下轉子的動力特性

從圖6（a）中結果可以看出，在ERSFD彈性環之間充滑油時，三種凸臺高度的ERSFD支承下，轉子一階峰值頻率均表現出一定的非線性特性，但頻率波動范圍較小。與圖6（b）相比較可以看出，隨著滑油溫度的變化，0.2 mm、0.5 mm凸臺高度的ERSFD支承下，轉子一階峰值頻率較為穩定，具有較好的動力特性；而0.8 mm凸臺高度的ERSFD支承下，轉子一階峰值頻率變化較大，動力特性較差。與圖4相比較可以看出，在彈性環之間充滿滑油時，轉子一階峰值頻率增加，說明轉子運轉過程中，油膜剛度的存在使得整個前支點的剛度增加。對于ERSFD系統，控制其剛度的關鍵因素是彈性環的剛度和油膜剛度，而這兩者又相互影響：不平衡量增大，軸頸偏心率增大，彈性環變形增大，凸臺接觸數量較少，彈性環剛度減小；油膜剛度增加，但油膜剛度增加相對彈性環剛度減小占優，故支點剛度總體上呈上升趨勢，所以導致轉子一階峰值頻率增大。

圖6　臨界轉速隨不平衡量的變化曲線Fig.6 The curve of critical speed vary with unbalance

表3給出了不同凸臺高度彈性環支承下，前支點在不同滑油溫度下的振幅。可見，0.2 mm、0.8 mm凸臺高度對應的前支點振幅隨溫度的升高而變大，0.5 mm凸臺高度對應的前支點振幅相對變化較小，ERSFD具有較好的阻尼效果。滑油溫度過高會使其粘度顯著下降，一方面會導致潤滑和冷卻效果不佳，另一方面會減弱擠壓油膜阻尼器的減振效果，但相比于無油狀態，可以看出充油后ERSFD的阻尼效果。另外，試驗中還發現凸臺高度較低時，不平衡量增大到一定值，彈性環會產生碰摩，ERSFD的非線性會激增。

表3　轉子不平衡量為20 g·cm時前支點的振幅Table 3 The amplitude ofK1（20 g·cm）

4　結論

本文考慮了ERSFD中彈性環與油膜的流固耦合作用，通過理論分析與試驗得出如下結論：

（1）ERSFD中不充油時，前支點剛度隨凸臺高度在一定范圍內增加而變大。

（2）凸臺高度較低時，ERSFD中油膜特性表現占優，凸臺高度較大時，彈性環剛度特性表現占優。本文研究中，凸臺高度為0.5 mm的彈性環，能有效改善油膜的非線性特性，在該凸臺高度的ERSFD支承下，轉子的動力特性及其阻尼效果最佳。

（3）試驗結果與數值模擬結果基本吻合，利用流固耦合模型對ERSFD進行數值分析具有較好的準確性。

（4）ERSFD中滑油溫度過高會使其粘度顯著下降，減弱擠壓油膜阻尼器的減振效果，但對一階臨界轉速影響相對較小。

［1］聞邦椿，顧家柳，夏松波，等.高等轉子動力學［M］.北京：機械工業出版社，1999：270—272.

［2］周明，李其漢，晏礪堂.彈性環式擠壓油膜阻尼器減振機理研究（1）—彈性環式擠壓油膜阻尼器減振機理模型［J］.燃氣渦輪試驗與研究，1998，11（4）：19—23.

［3］周明，李其漢，晏礪堂.彈性環式擠壓油膜阻尼器減振機理研究（2）—彈性環式擠壓油膜阻尼器油膜力特性的求解［J］.燃氣渦輪試驗與研究，1999，12（1）：30—33.

［4］周明，李其漢，晏礪堂.彈性環式擠壓油膜阻尼器油膜力特性研究［J］.燃氣渦輪試驗與研究，1998，11（3）：17—23.

［5］洪杰，鄧吟，張大義.彈性環式擠壓油膜阻尼器動力設計方法［J］.北京航空航天大學學報，2006，32（6）：649—653.

［6］曹磊，高德平，江和甫.彈性環式擠壓油膜阻尼器減振機理初探［J］.振動工程學報，2007，20（6）：584—588.

［7］曹磊，高德平，江和甫.彈性環擠壓油膜阻尼器-轉子系統臨界轉速特性［J］.推進技術，2008，29（2）：235—239.

［8］呂曉光，趙玉成，盧紀.擠壓油膜阻尼器-滑動軸承-柔性轉子系統的動力響應分析［J］.應用力學學報，2007，24（3）：46—49.

［9］康召輝，任興民，王鷙.彈性環式擠壓油膜系統新的三維動力學模型［J］.機械強度，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，碩士研究生，研究領域為航空發動機結構強度振動。