非线性振动 助力更远航空梦

文/田梦

远在百年前的1903年12月17日,美国的莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气的飞行器的飞行。尽管这次飞行在空中仅仅持续了12秒,飞行距离仅为36.6米,但却正式拉开了人类历史的新纪元,实现了全人类千百年对飞天的美好幻想。在这之后的时间里,飞行器的发展对之后的人类社会、政治、经济、文化和军事等方画都产生了巨大且深刻的影响。

作为飞行器的核心部件,航空发动机的重要性可谓不言而喻。从莱特兄弟的首次飞行开始到第二次世界大战结束为止,活塞式发动机在这段时间内得到快速发展;以第二次世界大战为节点,从大战结束至今这八十余年的时间,航空燃气涡轮发动机逐渐取代了活塞式发动机。二战后,普惠公司研制出第一台双转子(或称双轴)涡轮喷气发动机,具有两套压气机和涡轮,在同一台发动机中同心安装。由此产生的J57成为那个时代的黄金标准,成为各式美国军用飞机的动力,从波音公司的B-52和KC-135到麦克唐纳公司的F-101,康维尔公司的F-102和各种海军飞机,包括道格拉斯公司的F4D和F5D。可以说,燃气涡轮发动机开创了喷气时代,成为航空发动机的主流。

如今,经过一百多年的积淀与发展,各种新概念、非传统的航空发动机开始崭露头角,如脉冲爆震发动机、多核心机发动机、组合发动机、模拟昆虫扑翼飞行的电致伸肌动力发动机和利用螺旋桨推进的太阳能、燃料电池、微波电动发动机等。其中,我国著名工程非线性振动专家,中国工程院院士、天津大学教授、哈尔滨工业大学教授、博士生导师陈予恕,有着60余年的党龄,围绕非线性动力学与控制学科,他先后主持完成了国家重要科学项目20多项,极大提高了我国航空发动机设计水平,为我国这一领域的发展贡献了自己的力量。

航空发动机

作为飞机的心脏,航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械,它不仅是飞机飞行的动力,也是促进航空事业发展的重要推动力,人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分。现如今,航空发动机作为机械制造最复杂、最精密的产品之一,其设计、加工及制造能力也成为了一个国家装备制造业的最高技术水平的体现。因此,航空发动机行业的发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现,也是国家安全和大国地位的重要战略保障。

现如今投入使用的航空发动机包括涡轮喷气/涡轮风扇发动机、涡轮轴/涡轮螺旋桨发动机、冲压式发动机和活塞式发动机等多种类型,这些航空发动机不仅作为各种用途的军民用飞机、无人机和巡航导弹动力,而且利用航空发动机衍生发展的燃气轮机还被广泛用于地面发电、天然气与石油管线泵站、船用动力、移动电站等领域。

航空发动机工作在空中,由于推重比等性能的要求,必须工作在高温、高压、高速、高负荷的特殊环境,同时还要求具有能够长期反复工作的高可靠性和高安全性,因此,航空发动机的研制工作被称作是在挑战工程科学技术的极限。例如苏27飞机配备的AL-31F涡扇发动机,其最大加力推力是12吨,2台AL-31F发动机可推动苏27以超过2倍音速飞行。但AL-31F发动机的风扇直径不到900毫米,涡轮直径不到300毫米,也就是说,这么小尺寸的风扇、涡轮要承受着12吨的力。可以想象,当涡扇发动机推动飞机以2倍音速飞行时,航空发动机各部件要承受着多么严酷的高温高压高负荷考验。

航空发动机的核心部件是转子系统,现代航空发动机多采用双转子的结构形式。以AL-31F发动机为例,该发动机采用的是内外双转子套装结构,或称并联双转子结构,其中内转子为低压转子,最大工作转速为10098r/min,外转子为高压转子,最大工作转速为13300r/min,内外转子通过中介轴承连接。这种采用双转子结构形式的航空发动机具有尺寸小、推力大等优点,比单转子航空发动机性能有较大提升,但同时也增加了转子系统结构的复杂度,引入了由于结构和连接方式带来了非线性因素,给系统的动力学分析及参数优化设计带来挑战。

正是由于航空发动机结构复杂,振动故障多发,振动机理不清这些难题,我国航空发动机行业的发展也受到了严重制约。因此开展航空发动机运行安全基础研究,厘清航空发动机转子系统振动故障机理,是提高我国航空发动机故障诊断能力和结构设计水平的关键所在。

非线性转子动力学

航空发动机的双转子结构,包含滚动轴承支承、多级轮盘和叶片、挤压油膜阻尼器等复杂构件,并受双频激励、气流激励等复杂载荷影响。转子系统的动力学特性对航空发动机的设计尤为重要,厘清航空发动机复杂转子系统的非线性振动特性及振动故障机理具有重要的工程意义和理论价值。

在国家973计划《航空发动机运行安全基础研究》项目的资助下,由陈予恕院士领衔的哈尔滨工业大学和天津大学研究团队在航空发动机非线性转子动力学领域展开研究攻关,从非线性动力学角度对航空发动机转子系统的双稳态异常振动以及滚动轴承局部损坏、转静件碰摩、转轴裂纹、联轴器不对中、支点不同心等典型振动故障给出了机理阐释,并给出了各类故障下转子系统的非线性振动特征以及系统敏感参数的影响规律,对航空发动机转子系统故障诊断以及故障治理形成支撑。

在这里不得不提的就是非线性动力学。非线性动力学是物理学的思维进入传统方法所不能解决的问题的一座丰碑。非线性动力学是研究非线性动力系统中各种运动状态的定量和定性规律,特别是运动模式演化行为的科学。动力学的核心使命是预测系统的变化,非线性动力学在这点上也是一样的。一般认为,随时间而变化的工程、物理、化学、生物、电磁,甚至天体、地质系统都可称为动力系统。如果这些变化是用非线性方程(包括常微、偏微、代数等方程)描述,则称为非线性动力系统。

在非线性动力系统中,非线性共振与航空发动机有着千丝万缕的关系。非线性共振简而言之就是恢复力与位移不成正比或阻尼力不与速度一次方成正比的系统的振动。非线性振动系统的非线性共振是对照于线性振动系统的线性共振提出的概念,不仅包括非线性振动系统中与线性振动系统中线性共振相对应的主共振,还包括外激励的分频接近系统固有频率时引起的亚谐共振、外激励的倍频接近系统固有频率时引起的超谐共振、多激励的组合频率接近系统固有频率时引起的组合共振、参数激励以及其分频或倍频接近系统固有频率时引起的参激共振、系统某些振动故障引起的故障共振,以及多自由度系统的内共振,等等。

陈予恕及其研究团队通过大量的研究表明航空发动机转子系统的各类振动故障背后均对应着某种非线性共振机理。例如,滚动轴承支撑的转子系统在滚动体周期性通过受载区形成的通过频率与系统的某阶固有频率接近时能够发生一种参激共振,我们称之为接触共振;机动飞行能够引发转子-轴承系统的亚谐共振,并可能进一步诱发转静碰摩;碰摩故障往往伴随着双稳态与振动突跳现象,双转子系统在碰摩故障下振动响应中可能出现组合频率成分;含转轴裂纹故障的转子系统能够发生超谐共振,在机动飞行环境下这些超谐共振现象能够被放大。

在掌握了航空发动机转子系统的各类非线性共振机理之后,科研人员一方面可以利用振动强度弱而破坏性小的非线性共振提出相应的故障诊断策略,指导维修排故,同时也能够提出结构参数优化方案,提高航空发动机转子系统动力学性能指标,从源头上避免破坏性大的非线性共振,从而降低故障率,提高航空发动机设计水平。

陈予恕研究团队与中国人民解放军第5713工厂联合建设了航空发动机双转子-中介轴承-机匣整机振动实验台,由实际航空发动机经改装后安装在哈尔滨工业大学非线性动力学与振动控制实验室,为航空发动机非线性转子动力学实验研究提供了不可多得的条件保障。

该实验台保留高低压转子全部轮盘,含中介轴承,带承力机匣。利用该实验台可开展整机振动实验,进行双转子-中介轴承系统耦合振动研究、中介轴承振动故障机理研究、振动传递路径与测点优化等实验验证。

研究团队在国家973项目的资助以及团队人员不懈的努力下,针对航空发动机转子系统的非线性振动问题,从非线性动力学角度给出了多种振动故障的机理阐释,并建立了航空发动机转子动力学实验技术,为我国航空发动机设计水平以及故障诊断能力的提升做出贡献。