CN114856711B - 一种涡轴发动机转子振动控制方法及*** - Google Patents

一种涡轴发动机转子振动控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轴发动机转子振动控制方法及***，方法包括：基于转子机匣***动力学模型建立映射矩阵；映射矩阵为不平衡量、油膜间隙和振动响应的对应关系；获取实时油膜间隙和实时振动响应；对实时振动响应进行判断，若实时振动响应小于响应阈值，则不进行调节；若实时振动响应大于或等于响应阈值，将实时油膜间隙和实时振动响应与映射矩阵近似匹配，得到实时不平衡量；基于实时不平衡量和映射矩阵，得到优选振动响应，进一步得到优选油膜间隙；基于优选油膜间隙和实时油膜间隙得到间隙调节量；基于间隙调节量生成控制信号，基于控制信号进行调节。本发明解决了转子不平衡故障导致的振动问题，具有快速响应和位移分辨率高的优点。

Description

一种涡轴发动机转子振动控制方法及***
技术领域
本发明涉及发动机振动控制技术领域，特别是涉及一种涡轴发动机转子振动控制方法及***。
背景技术
涡轴发动机燃发转子为满足直升机变工况机动需求，其工作转速通常为35000-50000r/min，工作转速范围内激起的振动响应幅值大，对转子危害严重。加之各结构部分材料各向异性、加工制造、装配误差和运行中叶片损伤等原因，导致转子容易产生不平衡故障，致使***振动过大，危害机组安全，严重时可致机组停机甚至发生机毁人亡的重大事故。
目前为了降低转子振动，常采用挤压油膜阻尼器进行减振。挤压油膜阻尼器结构简单，占用空间小，减振效果显著，但其油膜刚度和阻尼存在高度非线性问题，转子偏心量超限时易出现双稳态、锁死和非协调进动等现象，使得转子振动不降反升。传统挤压油膜阻尼器油膜间隙不可控，往往难以适应复杂的工况。
于是通过引入外部阻尼调节油膜间隙的振动控制方式油然而生，例如通过液压调节螺钉调节挤压油膜阻尼器的油膜间隙实现减振，通过调节锥形的阻尼腔来调节油膜半径间隙，实现阻尼减振。以上两种技术方式存在以下问题：1)液压调节螺钉的方式不灵活，针对转子振动问题难以快速响应，极大限制了阻尼器的减振效果；2)阻尼器的调节精度不高，减振效果不明显。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种涡轴发动机转子振动控制方法及***，根据转子不平衡故障实时需求快速实时响应，解决传统挤压油膜阻尼器油膜间隙不可控或调控不灵活，难以适应复杂工况，响应速度慢，控制不精准等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种涡轴发动机转子振动控制方法，包括：
基于转子机匣***动力学模型建立映射矩阵；所述映射矩阵为不平衡量、油膜间隙和振动响应的对应关系；
获取实时油膜间隙和实时振动响应；对所述实时振动响应进行判断，若所述实时振动响应小于响应阈值，则不进行调节；若所述实时振动响应大于或等于所述响应阈值，将所述实时油膜间隙和所述实时振动响应与所述映射矩阵近似匹配，得到实时不平衡量；
基于所述实时不平衡量和所述映射矩阵，得到优选振动响应，进一步得到优选油膜间隙；
基于所述优选油膜间隙和所述实时油膜间隙得到间隙调节量；基于所述间隙调节量生成控制信号，基于所述控制信号进行调节。
优选地，所述基于转子机匣***动力学模型建立映射矩阵；所述映射矩阵为不平衡量、油膜间隙和振动响应的对应关系，具体为：
建立转子机匣***动力学模型；在所述转子机匣***动力学模型中虚拟植入若干个不平衡量，在每个不平衡量下设置若干个油膜间隙，并且进行响应分析，得到所述映射矩阵。
优选地，所述基于所述实时不平衡量和所述映射矩阵，得到优选振动响应，进一步得到优选油膜间隙，具体为：
在所述映射矩阵中查找，得到基于所述实时不平衡量的若干个小于所述响应阈值的初始振动响应，随意选取若干个所述初始振动响应中一个作为所述优选振动响应；
基于所述实时不平衡量和所述优选振动响应在所述映射矩阵中查找，得到所述优选油膜间隙。
优选地，所述基于所述优选油膜间隙和所述实时油膜间隙得到间隙调节量；基于所述间隙调节量生成控制信号，基于所述控制信号进行调节，包括：
将所述优选油膜间隙和所述实时油膜间隙做差得到所述间隙调节量；
基于所述间隙调节量生成控制信号，基于所述控制信号进行调节。
优选地，所述基于所述间隙调节量生成控制信号，基于所述控制信号进行调节，具体为：
将所述间隙调节量与压电堆叠位移传感器的差值作为PID控制器的输入值，得到初始控制信号；
基于神经网络对所述初始控制信号进行优化，得到所述控制信号；
基于所述控制信号驱动油膜阻尼减振装置调节油膜间隙。
本发明还提供了一种涡轴发动机转子振动控制***，所述控制***适用于上述的控制方法，所述控制***包括：
采集模块，用于获取实时油膜间隙和实时振动响应；
控制模块，用于基于所述实时油膜间隙、所述实时振动响应和映射矩阵的生成控制信号；
油膜阻尼减振装置，基于所述控制信号进行径向位移从而调节油膜间隙。
优选地，所述油膜阻尼减振装置包括：
分体式轴瓦，设置于鼠笼外侧，所述分体式轴瓦与所述鼠笼之间形成油膜间隙；
若干个压电陶瓷促动器，所述压电陶瓷促动器的一端与轴承座的外壁连接，所述压电陶瓷促动器的另一端与所述分体式轴瓦连接；各所述压电陶瓷促动器基于所述控制信号径向运动以带动所述分体式轴瓦径向运动，从而调节油膜间隙。
优选地，各所述压电陶瓷促动器均通过O型密封圈与所述分体式轴瓦连接。
优选地，所述鼠笼上还设置有封端；
所述封端以不限制所述分体式轴瓦做径向运动为约束条件，设置在所述分体式轴瓦两侧。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明建立了含有不平衡量、油膜间隙和振动响应的映射矩阵，测得油膜间隙和振动响应之后可以在映射矩阵中匹配近似值，由此确定对应的不平衡量，找到小于响应阈值的振动响应，此时的油膜间隙即为目标油膜间隙，基于压电陶瓷促动器具有极高位移分辨率的特点，在神经网络和比例、积分、微分(Proportional Integral Derivative，简称PID)控制器的控制下，实现精准控制的功能，可以适应复杂工况。
本发明采用压电陶瓷促动器推动分体式轴瓦调节油膜间隙，基于压电陶瓷促动器快速响应的特点，针对转子机匣***振动幅值突变问题，可以快速调整油膜间隙实现转子振动控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明涡轴发动机转子振动控制方法流程图；
图2为本发明转子机匣动力学模型结构图；
图3为不同不平衡量对转子机匣***振动响应的影响示意图；
图4为不同油膜间隙对转子机匣***振动响应的影响示意图；
图5为本发明涡轴发动机转子振动控制***结构图；
图6为本发明油膜阻尼减振装置结构图；
图7为本发明油膜阻尼减振装置剖视图。
符号说明：1、采集模块；2、控制模块；3、油膜阻尼减振装置；4、鼠笼；5、油膜；6、轴承座；7、滚动轴承；8、转轴；31、分体式轴瓦；32、压电陶瓷促动器；33、O型密封圈；34、封端；341、左封端；342、右封端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种涡轴发动机转子振动控制方法及***，根据转子不平衡故障实时需求快速实时响应，解决传统挤压油膜阻尼器油膜间隙不可控或调控不灵活，难以适应复杂工况，响应速度慢，控制不精准等问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明涡轴发动机转子振动控制方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种涡轴发动机转子振动控制方法，包括：
步骤S1，基于转子机匣***动力学模型建立映射矩阵；所述映射矩阵为不平衡量、油膜间隙和振动响应的对应关系。
具体地，首先建立转子机匣***动力学模型；在所述转子机匣***动力学模型中虚拟植入若干个不平衡量，在每个不平衡量下设置若干个油膜间隙，并且进行响应分析，得到所述映射矩阵。
预先通过大量模拟数据仿真，给转子机匣动力学模型植入不平衡量并设置不同的油膜间隙，进行振动响应分析，得出不同的振动响应，从而建立不平衡量、油膜间隙和振动响应之间的映射矩阵。
转子机匣***运动的微分方程为
式中：q为转子机匣***的位移；表示对/>求导；/>表示对q求导；M为转子机匣***的质量矩阵；C为阻尼矩阵，主要为挤压油膜阻尼器(Squeeze Film Damper，简称SFD)阻尼；K为刚度矩阵；Fi为第i个不平衡力，/>mi为第i个叶盘的质量；ei为第i个叶盘上不平衡质量到其回转中心的距离；ω为转子的转速；θi为第i个叶盘上不平衡量的初始相位；i＝1,2,3,···,N为叶盘位置，N为叶盘的数量，t为时间。
基于转子机匣***运动的微分方程，采用逆向工程与正向建模相结合的方法对机匣进行数字模型重构，结合变权重的非均匀网格划分方法，采用DyRoBeS软件构建机匣有限元模型，采用计算流体力学法进行SFD的建模和仿真模拟得到随转速变化的等效阻尼值，采用DyRoBeS软件建立含局部几何特征的鼠笼全三维有限元模型，根据动力学特性等效原则构建转子机匣***动力学模型；应用锤击脉冲激励法完成转子机匣***-机匣模态实验，由燃发转子叶片处激励力和机匣测点振动响应信号获得***频响函数，基于响应面法完成动力学参数辨识，综合模态实验动力学参数辨识共同完成对转子机匣***动力学模型的建模参数和边界条件的修正，转子机匣***动力学模型如图2所示。
基于DyRoBeS软件建立的含油膜间隙的转子机匣***动力学模型，在转子机匣***动力学模型输入不平衡量参数，虚拟植入不平衡量Ui(i＝1,2,…k)，k为不平衡量的数量设定为10，在每一个不平衡量下设置不同的油膜间隙Cj(j＝1,2,…r)，Cj在油膜间隙可调范围内取值，r为油膜间隙的数量。根据航空发动机设计手册中挤压油膜阻尼器油膜间隙设计值的规定，即油膜间隙为轴颈半径的1-5‰可起到良好的减振作用，当取值低于此下限值时，一般认为转子机匣***可能会不稳定，高于上限值不能发挥减振作用，本实施例中取3‰，即油膜间隙可调节范围为1-3‰。假设r＝10，观察振动响应，因此，固定每一个不平衡量，设置一个油膜间隙就有一个对应的振动响应Rj i，由此建立某一不平衡量下油膜间隙和振动响应的映射子矩阵A2，其中一条对应关系为(Cj,Rj i)，改变不平衡量大小，重复前面设置不同油膜间隙、观察振动响应和建立映射矩阵的操作，因此，每一个不平衡量，设置一个油膜间隙就有一个对应的振动响应，如图3所示，为不同不平衡量对转子机匣***振动响应的影响分析，如图4所示，为不同油膜间隙对转子机匣***振动响应的影响。根据这个对应关系建立映射矩阵A1，其中一条对应关系为(Ui,Cj,Rj i)。图3和图4中的幅值即为振动响应的大小。
步骤S2，获取实时油膜间隙和实时振动响应；对所述实时振动响应进行判断，若所述实时振动响应小于响应阈值，则不进行调节；若所述实时振动响应大于或等于所述响应阈值，将所述实时油膜间隙和所述实时振动响应与所述映射矩阵近似匹配，得到实时不平衡量。本实施例中，设定相差不超过5％即为近似。
步骤S3，基于所述实时不平衡量和所述映射矩阵，得到优选振动响应，进一步得到优选油膜间隙。
优选地，在所述映射矩阵中查找，得到基于所述实时不平衡量的若干个小于所述响应阈值的初始振动响应，随意选取若干个所述初始振动响应中一个作为所述优选振动响应。
基于所述实时不平衡量和所述优选振动响应在所述映射矩阵中查找，得到所述优选油膜间隙。
步骤S4，基于所述优选油膜间隙和所述实时油膜间隙得到间隙调节量；基于所述间隙调节量生成控制信号，基于所述控制信号进行调节。
进一步地，将所述优选油膜间隙和所述实时油膜间隙做差得到所述间隙调节量；将所述间隙调节量与压电堆叠位移传感器的差值作为PID控制器的输入值，得到初始控制信号；基于神经网络对所述初始控制信号进行优化，得到所述控制信号；基于所述控制信号驱动油膜阻尼减振装置调节油膜间隙。
图5为本发明涡轴发动机转子振动控制***结构图。如图5所示，本发明提供了一种涡轴发动机转子振动控制***，所述控制***适用于上述的控制方法，所述控制***包括：采集模块1、控制模块2和油膜阻尼减振装置3。
所述采集模块1用于获取实时油膜间隙和实时振动响应。
具体地，所述采集模块1包括振动传感器和电涡流传感器。
所述振动传感器用于获取转子机匣***通过机匣传递的所述实时振动相应。
所述电涡流传感器用于获取所述实时油膜间隙。
所述控制模块2基于所述实时油膜间隙、所述实时振动响应和映射矩阵的生成控制信号。
所述控制模块2包括神经网络PID控制器；
所述PID控制器基于所述实时油膜间隙和所述实时振动响应得到初始控制信号；所述神经网络对所述初始控制信号进行优化，得到所述控制信号。
所述油膜阻尼减振装置3基于所述控制信号进行径向位移从而调节油膜间隙。
如图6和图7所示，所述油膜阻尼减振装置3包括：分体式轴瓦31、若干个压电陶瓷促动器32、若干个O型密封圈33和封端34。
转子机匣***包括鼠笼4、滚动轴承7、轴承座6和转轴8。
所述滚动轴承7与所述转轴8套接。
所述鼠笼4与所述滚动轴承7连接。所述分体式轴瓦31设置于鼠笼4外侧，所述分体式轴瓦31与所述鼠笼4之间形成油膜5。
各所述压电陶瓷促动器32的一端均与所述轴承座6的外壁连接，各所述压电陶瓷促动器32的另一端均通过所述O型密封圈33与所述分体式轴瓦31连接。
各所述压电陶瓷促动器32基于所述控制信号径向运动以带动所述分体式轴瓦31径向运动，从而调节所述油膜5的间隙。
所述封端34以不限制所述分体式轴瓦31做径向运动且距离所述分体式轴瓦31越近越好为约束条件，设置在所述分体式轴瓦31两侧。
具体地，所述封端34包括左封端341和右封端342；所述左封端341设置在分体式轴瓦31的左侧，所述右封端342设置在分体式轴瓦31的右侧。
各所述压电陶瓷促动器32基于所述控制信号进行伸长运动或缩短运动；从而带动所述分体式轴瓦31收缩和展开，实现所述油膜5的间隙的调节。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种涡轴发动机转子振动控制方法，其特征在于，包括：
基于转子机匣***动力学模型建立映射矩阵；所述映射矩阵为不平衡量、油膜间隙和振动响应的对应关系；
获取实时油膜间隙和实时振动响应；对所述实时振动响应进行判断，若所述实时振动响应小于响应阈值，则不进行调节；若所述实时振动响应大于或等于所述响应阈值，将所述实时油膜间隙和所述实时振动响应与所述映射矩阵近似匹配，得到实时不平衡量；
基于所述实时不平衡量和所述映射矩阵，得到优选振动响应，进一步得到优选油膜间隙；
基于所述优选油膜间隙和所述实时油膜间隙得到间隙调节量；基于所述间隙调节量生成控制信号，基于所述控制信号进行调节；具体包括：
将所述优选油膜间隙和所述实时油膜间隙做差得到所述间隙调节量；
将所述间隙调节量与压电堆叠位移传感器的差值作为PID控制器的输入值，得到初始控制信号；
基于神经网络对所述初始控制信号进行优化，得到所述控制信号；
基于所述控制信号驱动油膜阻尼减振装置调节油膜间隙。
2.根据权利要求1所述的涡轴发动机转子振动控制方法，其特征在于，所述基于转子机匣***动力学模型建立映射矩阵；所述映射矩阵为不平衡量、油膜间隙和振动响应的对应关系，具体为：
建立转子机匣***动力学模型；在所述转子机匣***动力学模型中虚拟植入若干个不平衡量，在每个不平衡量下设置若干个油膜间隙，并且进行响应分析，得到所述映射矩阵。
3.根据权利要求1所述的涡轴发动机转子振动控制方法，其特征在于，所述基于所述实时不平衡量和所述映射矩阵，得到优选振动响应，进一步得到优选油膜间隙，具体为：
在所述映射矩阵中查找，得到基于所述实时不平衡量的若干个小于所述响应阈值的初始振动响应，随意选取若干个所述初始振动响应中一个作为所述优选振动响应；
基于所述实时不平衡量和所述优选振动响应在所述映射矩阵中查找，得到所述优选油膜间隙。
4.一种涡轴发动机转子振动控制***，所述控制***适用于权利要求1-3任意一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制***包括：
采集模块，用于获取实时油膜间隙和实时振动响应；
控制模块，用于基于所述实时油膜间隙、所述实时振动响应和映射矩阵生成控制信号；所述控制模块包括神经网络PID控制器；
所述PID控制器基于所述实时油膜间隙和所述实时振动响应得到初始控制信号；再利用神经网络对所述初始控制信号进行优化，得到所述控制信号；
油膜阻尼减振装置，基于所述控制信号进行径向位移从而调节油膜间隙。
5.根据权利要求4所述的涡轴发动机转子振动控制***，其特征在于，所述油膜阻尼减振装置包括：
分体式轴瓦，设置于鼠笼外侧，所述分体式轴瓦与所述鼠笼之间形成油膜间隙；
若干个压电陶瓷促动器，所述压电陶瓷促动器的一端与轴承座的外壁连接，所述压电陶瓷促动器的另一端与所述分体式轴瓦连接；各所述压电陶瓷促动器基于所述控制信号径向运动以带动所述分体式轴瓦径向运动，从而调节油膜间隙。
6.根据权利要求5所述的涡轴发动机转子振动控制***，其特征在于，各所述压电陶瓷促动器均通过O型密封圈与所述分体式轴瓦连接。
7.根据权利要求5所述的涡轴发动机转子振动控制***，其特征在于，所述鼠笼上还设置有封端；
所述封端以不限制所述分体式轴瓦做径向运动为约束条件，设置在所述分体式轴瓦两侧。
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