外文翻译-航空发动机和旋转机械中振动和共振的控制

外文翻译-航空发动机和旋转机械中振动和共振的控制 航空发动机和旋转机械中振动和共振的控制 D .J. Ewins 伦敦大学帝国学院，英国 关键词: 旋转机械动力学 强迫振动 共振 阻尼 坎贝尔图 刀片和刀片光碟 转子动力 不稳定振动 摘要: 本文介绍了涡轮机在遇到振动问题的时的概述，以及其他高速机械。主要问题是共振水平低于动载作用下时可以达到比加载相同的幅度时静态产生的水平高100或1000倍以上。这些共振可能由稳定，无振荡，力正应用到一个旋转盘造成，他们的预测和测量通过在运行条件下观察是机械动力工程师的基本功能.。无论是从空气动力来源还是从转子动力学中，如果遇到不稳定性可能会出现其他问题。在大多数例子中遇到剧烈振动，他们必须被关键部件额外引进的阻尼控制，通常由摩擦装置纳入。视觉显示器的使用有助于理解旋转机械结构中振动的复杂性。 1 简介 当一个结构是由一个动态负载承受，其在变形和应力方面的反应等，可以有更多或者更少比负载是静态时导致的相应反应。在航空发动机，很多时候是指10或100倍，有时甚至1000倍。这个简单的声明解释了为什么结构振动是这样一个问题，这样的燃气涡轮机在高负载的结构元件是关键。 动态负载会产生有议案。因此，所有车辆和机器将在动负荷，而事实上，许多固定的结构，如建筑物，桥梁，化工厂还将体验动载荷，因为他们的机器连接到动态负载，或因通过地面或空中支持和环境负荷围绕着他们。然而，动态负载是特别令人关切，因为这些在机械结构比其他更倾向于含有非常高的能量水平，有了这样的大力和高振动。 2 结构灵敏度和振动模式 也许最重要的问题涉及到大于100次或小于100倍，在尊重评论特定力产生的相应级别。这都大约是因为这是一种急性的敏感性，几乎所有结构都拥有的两 件事情:(1)其中一个动力频率施加到结构。(2)它的确切位置被应用。这种特性如图1所示，它显示了一个梁的自由端产生的振动响应是由于一个单位的横向力沿轴的不同点有不同的频率。由此产生的地图显示了在参考点的响应幅度超过了巨大的变化范围。这才是复杂的结构振动，对造成重大损失的可能性基础并避免它的潜力。当然，极高振动的各区域被看成是配合特定的频率，以及这些都是结构的固有频率有问题。所有的'尖锐'极大值在图1发生在两个频率时，而这些都是那个结构的固有频率。与此相反，在极小的情节发生在许多不同的地点，而不是仅仅两点。这是由一个结构性能的第二模态决定的，我们看到这是多么重要的决定对响应级别旁边的普遍理解的更多的意义自然频率。 图1结构敏感性的频率和负载的位置 3在航空发动机的振动问题 在旋转机械中，在所有的结构，振动的不良后果有很多，和范围从最严重的结构失效，通过疲劳或超载，发生故障所需的工作在高振动环境中的设备。乘客不适，经营者或行人，以及噪音。为一阶近似，水平的振动在M或m测量/秒与这四种类型各问题可以是一个数量级，使结构振动水平可引起疲劳破坏可能是预 计将超过1000那些能够导致不可接受的噪音。因此，我们看到，本质上是一对数振动的现象。我们在其中必须设法降低10倍的水平，而不仅仅是2，实现有明显改善。 在航空发动机等旋转机械，动态的力量经验丰富的无处不在，所以大部分组件都受到动态负载，使他们震动。其中的一些组件已经非常强调，因为它们的功能或他们的位置在机器，这些，加入振动可能导致严重关切的是早期疲劳损伤可能造成。一般来说，有两种常见的振动问题组:那些与发动机的固定部分相关的是外壳，管道的叶片，和旋转部件，尤其是那些光盘和刀片。第二组往往是更重要因为即使是一个很小的故障后果旋转组件是加剧了外的平衡和中学被碎片所造成的损害被揭去。 4 激震来源 (动态加载)有许多动态加载源(编号激发力量，在振动的说法)在每旋转机械存在。也许最常见的是失去平衡。这是一个持续的力量有效，而不是一个振荡，的旋转相对于静止的发动机外壳的一部分。旋转的这对发动机轴持续的力量是感受到作为外壳随时间变化的力量，在一个频率等于候补高速旋转，因而作为 发一个动态负载经验。有一种激励的第二个来源，同样常见，更普遍的所谓的'动机订单也激发来自另一个静态(非振荡)的力量。这台发动机为了激发的必然性结果明，该气体流通过发动机的逝世是从来没有完全轴对称它的大小。一个是引擎实用的功能范围和运作，存在摄入不均匀如轴承支撑的限制，喷嘴导向叶片，燃烧室，等所有结果在轴向流和暂时的强度非均匀围绕环360旱冰的工作气体施加压力。在发动机中的每一个阶段，这对稳定的压力不均匀(负载)的撞击下游刀片行感到作为一个旋转叶片时变负载，因此它生成一个动态，振动，回应。如图fig2所示，这种类型的激励基本特征是:如果有一个环周围的非均匀的压力分布余弦nq组成部分，那么这将被看作是一个动态负载(力)，其中有一个女的频率，其中,11是转速，还有另外一个细微之处，其效果非常显着，那就是动态加载，除了有一对旋转叶片的有效频率通过它，有一个空间变化以及时间的这是一个变化的余弦n4其中4幅为角位置周围的(旋转)刀刃光盘，而 h为角位置周围的(固定)发动机外壳。 还有其他来源的激励，没有联系的旋转，往往从外部环境的湍流产生。但这些不构成振动等主要来源作为执行上述两个。 图2引擎力量的激发起源 5 旋转机振动特性的说明 实际上运行的发动机的振动经验将是结构的敏感性和动态载荷的'产品，这 应对我们作为机械设计者和开发人员关注的中心。无论在研究测量数据,或当寻 求预测操作条件下将会发生什么，响应特点是结构动态性能和质量的基本指示. 有一个旋转机械展示的振动响应数据格式特别有用，这一点，我们接下来应 介绍下。当机器在一个速度为常数或变化非常慢缓时运行，通常是假设稳态条件适用于各个组成部分的振动。因此，如果我们从一振动的传感器上获取短时间(持续时间约1s)的数据样本(图3(a))，以及表现的傅立叶变换如(图3(b)) 。 然后，我们有一个在这样的速度下振动频率的内容显示。如果这每隔几分钟比如5分钟重复一次，而发动机正逐渐改变速度从最小值到最大值，我们堆积落后与其他的在图3(c)， 我们将构建一个简单的瀑布图分析样品。通过用时间和旋转速度的已知关系可以构建一个图表来表示振动频率和振幅响应为一个函数的功能 ，转子转速Z -模如图3(d)所示。 图3典型的机械振动信号()时间历史()频谱()瀑布图()的模图。abcdZ - 这些Z -模包含非常多的有用信息，除了衡量短期输出的最高响应水平，这可以看作是最好的办法通过使用对数振幅这种规模说明了非常低的水平振动 行为(通常认为这是远离共振区)以及振动水平高的地方可能会被损坏造成的。这张图上清楚地看到是一系列辐射线，从产生频率高速轴的起源开始，以及少量规律的线接近恒定频率电子'水平'线。径向线代表在大部分积分发动机订单振动存在，几乎都是结果发动机为了激发各种来源的结果。'横'行代表结构的自然频率在各个模式略有不同的速度变化，也许是因为一些效应所造成的，比如科氏加速度向心力存在或温度变化显著。 那里是一个发动机订单行与自然频率线的交点，在这样的频率重合点意味着可能发生共振，但其严重程度将取决于两个其他参数，第一，模式形状，第二结构中存在的阻尼金额。我们下面将讨论阻尼，但在这里我只想说这些共振区域是所有后续分析的电子联络点，同时预测和实验。 在结束z-模的介绍之前，应该回顾如在图3(d)所示的图表。此图从单一时间历史记录构成，如图3(a)显示该图的更长版本 6 避免共振 现在谈到论文题目，我们可以建立在前面的讨论来确定设计者的首要任务是避免任何共振在发动机转速运行持续的时间长度内达到或接近的速度。很显然，从图 3(d)该交点标明共振可以移动通过改变运行速度或自然频率。设计者通常有更多的灵活性对于后者的参数，因而对振动控制的第一选择是避免共振利用调整的重要组成部分的尺寸使他们的自然频率不配合引擎在运行速度范围内。 这是通过分析计算固有频率和关键元器件的振型，如钢刀，和这些降低旋转速度，增加发动机的订单行在图中，例如图所示4的风扇叶片。 图4风机叶片 在实践中，它是比这更复杂因为刀片服务器不存在于发动机的各个组成部分，但他们的组成刀刃的一部分，如图6所示刃盘。一叶盘比单一的刀片有更多的自然频率，而当这些都在一个频率速度图上表现出来，共振的前景在运算速度范围内的似乎变成一个不可避免的必然性，如图5(a)所示。事实上，当考虑模式形状以及自然频率时，如图5(a)中大量的潜在共振令人不安，但是幸运的是修到一个更温和的数量如图5(b)。这特性即反映了在确定的重要的振动中具有重大意义的模式形状以及自然频率，代表一个非常复杂的共振和分析能力，被目前许多成功的设计很好的证明了 图5(a)刃盘辐条图，(b)激发选择性的发动机 7(控制共振 不幸的是，为了避免一切共振和那些必须被控制的而调整组件尺寸往往是不可行的，以至于他们没有严重到造成不可接受的磨损或损坏。实现这一目标的唯一途径是通过引入阻尼使共振曲线的而峰值降低到安全水平。有不少的人还补充了阻尼的可能性，但在可生存燃气轮机的环境下相对较少。虽然新材料和涂料目前正在积极发展，在目前的燃气涡轮机使用的主要阻尼机制是干摩擦。通过允许交配接口表面互相磨擦在控制方式下，散振动结构它有可能产生摩擦热量从而提取和机械能。这种机制被广泛应用在刀刃光盘，如图6所示，这表明阻尼的例子，阻尼和尖下平台减震器，前两个根据设计和阻尼特性有机会，同时第三个是一个深思熟虑的，在设备使用取得显着较严重的共振阻尼时设计的。图6还演示了一种共振的例子即通过阻尼器参数明智的选择得到有效控制。 还有其他一些阻尼和控制方法正在发展。值得一提的是SMART或积极的想法结构和设备，这是可使用的控制方法以减少振动水平通过产生动态的力量来反对那些在操作条件下产生的。这将是在未来的方法，但一个特定的应用程序已经可 用，尽管尚未在航空发动机，而且是活动磁轴承(磁悬浮)。高效率地开发，非接触式，用于高速应用的轴承，磁悬浮也有优势包括控制与动态研究转子是支持的。 图6()摩擦接触刀刃光盘提供阻尼，()优化下平台阻尼器的设计特点。ab 8。强大的设计考虑 越来越多的管理关键的振动特性结构考虑一个额外的功能，比如在航空发动机发现的强大的的不确定性的后果以及振动的结果。这是时下被称为的强劲设计，而是一种长期以来一直在关注的叶集的燃气涡轮机振动的一大特色.。 具体问题涉及到叶片失谐，不可避免的分散将表现在一台设置属性名义上相同的刀片，这是一个安装在给定的刀片光盘配置。这是一个问题因为在接受刀片到刀片的分散在合理比例的单个刀片的基本性能时，它经常被发现在叶片共振响应级别产生散射是由一个数量级即较大的方差引起的，见图7。有比较少的可以减少这种振动在振动响应级别，这样设计必须建立在最坏的情况基础上。这是要介绍附加阻尼的原因之一，然而机械阻尼的增加也有助于减少失谐散射，因此它是有效控制过度现象的一种特别的手段。 图7不确定性和可变性:叶片失谐 9。不稳定振动 讨论包括两种类型的不稳定的振动这也许是适当的，它可以折磨旋转机械。这两个较常见的是叶片颤振，它可以发生在涡轮机当空气动力学和结构动态交互非常强烈时。 解决颤振的问题是双重的，(1)以确保特殊的空气动力学条件可以使震颤在正常运行条件不发生。(2)这里是为了确保刀片的机械阻尼克服'空气动力学有效提供的消极颤振阻尼。 第二类不稳定振动是极为罕见的转子动力学不稳定，但仍然值得一提。这种不稳定性将导致整个转子失控，可能会发生当有过多的'内部'转子阻尼时。众所周知，如果转子有相当大的机械阻尼，如果装配接头没有充分拧紧以上情况就可能发生， 如果没有足够的轴承和工作液外部阻尼，那么转子可以变得不稳定在非常高的旋转速度。 显然，在不稳定振动中阻尼是最重要的，但必须指出的是，它的效果以及其基本物理现象可以非常复杂。 10 在高功率旋转机械中振动可以有损于机器的可靠性，完整性和效率。内置 动态加载来源表示谐振及其他振动是不可避免的在这样的机器，这些需要通过合 理的设计来改善。 来改善设计的首选的方法是调整以避免最严重的可能会遇到共振，这是通过确保临界频率通道不存在运行速度范围。这项任务需要特别理解关键结构的敏感性，以及激励是对他们施加的力量。 不是所有的共振都可以避免，但是，对那些仍然存在，制约着共振可接受的最高水平限度必须通过添加阻尼来实现。广泛使用是干摩擦，新材料和阻尼机制正在积极发展。 考虑到一个相当反馈的动态特性操作机可通过测量振动水平在运行条件下，并在Z-模显示这些数据。 ， ， 。