降低航空发动机转子热弯曲及其影响方法研究

本文研究降低航空发动机热弯曲振动方法,采用三维有限元法计算航空发动机轴热弯曲变形,采用传递矩阵法计算转子的不平衡响应及热弯曲响应。采用有限元素法进行倾斜轴承滚子受载分析。着重研究支承结构因素对热弯曲振动响应的影响,从而在转子一支承系统设计或改型设计阶段采用本文推荐的方法,降低航空发动机转子热弯曲振动及其影响。     

双转子临界转速的简易分析方法及应用

采用纯弯曲及弯扭耦合两种传递矩阵法和子结构传递矩阵法计算具有畸形结构的双转子系统的临界转速，提出了用线性插值法确定双转子临界转速的简便方法和由不平衡响应系统位能峰值转速确定双转子系统计及阻尼影响的临界转速，本文分析方法有较大的工程应用价值。     

锥齿轮啮合作用对转子-机匣系统振动特性的影响

本以转子-机匣系统为对象，采用弯扭耦合传递矩阵法分析了锥齿轮啮合作用对不平衡响应及初始弯曲响应振动特性的影响。改进了三套纯弯曲和弯扭耦合临界转速及不平衡响应峰值转速计算方法及软件，提高了计算效率。采用此三对配套软件计算了两种支承方案的临界转速和峰值转速，在无阻尼条件下两完全一致。分析了质心按一阶振型分布和按空间分布时锥齿轮啮合作用对峰值转速及振动值的影响，得出了有工程参考价值的结论。提出了改善转子振动特性的方法。     

防止和减少航空发动机热弯曲故障方法的研究

阐述了航空发动机转子产生热弯曲故障的机理,计算了热弯曲试验转子在改变支承刚度,缩短支承间距离,增大轴的外径,减小盘的悬臂距离等因素下的热弯曲响应,并提出了防止和减少航空发动机热弯曲故障的方法。     

某型发动机转子热弯曲变形及其影响数值分析

采用有关文献提出的数值分析方法,对某型发动机转子的热弯曲变形及其影响进行了定量分析,得出了一些可供工程实际参考的有益结果。首次在发动机转子轴对称稳态温度场的基础上,借助热弯曲实验器实验结果,产生一个非轴对称温度场,用三维热弹性有限元法计算其热弯曲变形,采用传递矩阵法计算热弯曲振动响应。上述方法在热弯曲试验器分析中均得到了验证。实践表明这是一种分析航空发动机热弯曲及其影响的简便可行的数值分析方法。      

轴段可调节式双转子结构动力特性模拟试验台设计与优化

为了解航空发动机双转子的动力学特性，搭建了轴段可调节式双转子结构动力特性模拟试验台，其主要包括高速电机、 低压转子、高压转子、模拟盘、支架、齿轮箱、基座等。采用有限元法和变换哈默斯利算法相结合的联合仿真方法，对试验台进行了 临界转速的计算及优化；计算了双转子系统的稳态不平衡响应，分析了临界转速变化对转子系统振动特性的影响。结果表明：优 化后试验台前4阶临界转速与原型机实测临界转速的误差在5%以内，试验台能较好的模拟原型机动力学特性；优化后各轴承处 最大响应幅值中的最大值明显减小，试验台具有良好的振动特性。     

某微型发动机振动特性计算分析

研究了具有锥齿轮啮合及机匣系统的某微型发动机的振动特性。采用弯扭耦合传递矩阵法计算临界转速、不平衡响应和初始弯曲响应,计及转动惯量、陀螺力矩、剪切变形、粘性阻尼和轴向力的影响。为了提高机匣振动固有频率的计算精度,还采用轴质量均布的传递矩阵法计算转子－机匣系统的临界转速与不平衡响应。临界转速及不平衡响应计算结果与试验结果吻合较好。     

突加不平衡激励下高速柔性转子系统振动特性试验

针对航空发动机高速柔性转子系统叶片丢失所造成的突加不平衡激励,基于结构/力学特征等效原则,建立高速柔性悬臂转子系统试验器,对突加不平衡及持续碰摩所产生的附加激励下转子系统振动响应进行试验测试,并对其时域/频域响应特征进行分析。结果表明:突加不平衡瞬时具有显著冲击效应,转子系统瞬态振动响应加剧,并激起转子横向模态振动;转静件之间的持续碰摩会产生约束作用使转子系统临界转速提高,呈现非线性振动,产生谐波振动频率成分。      

转子热弯曲振动试验研究

模仿某型发动机涡轮转子,研制了悬臂式热弯曲振动试验器,进行了热弯曲温度场测量、热弯曲变形试验、热弯曲振动响应试验,试验结果与采用传递矩阵法计算热弯曲振动响应相比较,理论值与实验值吻合较好。      

突加不平衡下GTF发动机转子系统瞬态响应分析

针对GTF发动机低压转子系统突加不平衡瞬态响应问题,基于有限元法建立了考虑啮合单元、行星架单元、膜盘联轴器单元的多体接触、多转子耦合动力学模型,介绍了考虑非线性因素下突加不平衡瞬态响应计算方法,求解了低压转子系统的突加不平衡瞬态响应,并分析了关键部件刚度对突加不平衡的影响规律。结果表明：当风扇转子发生突加不平衡时,各部件均表现为振动幅值突增,后迅速趋于稳定,低压涡轮转子发生明显拍振,突加不平衡载荷主要由行星架结构和第1.5支点刚性支承承担;行星架刚度主要影响风扇转子突加不平衡响应、第1.5支点和行星架处的外传力;膜盘联轴器刚度主要影响增压级突加不平衡响应、转子在突加不平衡之后稳定运转情况。     

典型燃气发生器转子平衡状态与振动特性分析

针对某型涡轴发动机整机试验中出现的振动过大现象,通过建立考虑低速动平衡的刚性转子系统动力学方程,求解低速动平衡后刚性转子的动力学响应,对涡轴发动机典型燃气发生器转子平衡状态与振动特性进行分析。介绍了该型发动机整机试验中出现的振动过大现象及后续的排查措施,分析了该类转子振动模态特性与激振载荷的关系,建立了该类转子在不平衡状态下的动力学分析模型,对2种初始不平衡状态的转子振动响应进行了仿真计算。结果表明:对于该类涡轴发动机典型燃气发生器转子,当离心叶轮处存在较大初始不平衡时,转子的低速动平衡虽能较好地控制其前2阶振动,但会加剧其在大转速时的振动,特别是转子第3阶弯曲型临界转速裕度不大时,应当特别重视。     

支承方案对航空发动机振动特性影响分析

从降低发动机振动的角度上提出了选择支承方案的原则。以某型机具有一对中央弧齿锥齿轮啮合的转子-机匣发动机系统为对象,研究了支承方案对发动机振动特性的影响。分别采用轴质量离散弯扭耦合传递矩阵法和轴质量均布的纯弯曲传递矩阵法,比较该机主轴采用二支承方案及三支承方案时系统的临界转速、不平衡响应和初始弯曲响应等振动特性,得出了该机采用三支承方案优于二支承方案的结论。     

模拟转子叶片丢失后外传载荷影响特性研究

航空适航法则及相关安全性标准中均对航空发动机叶片丢失后的安全性设计提出了要求，为此需要明确关键零件在叶片丢失后所承受的载荷环境。本文利用Newmark-β法求解载荷传递系统的瞬态运动微分方程，得到振动响应与力载荷的关系。设计了模拟转子不平衡响应试验，进行突加不平衡质量后的转子响应测试，进而通过试验件内外振动响应获得了冲击载荷的传递规律。同时为研究阻尼在叶片丢失外传载荷中的影响效果，通过控制对试验件阻尼器是否供油，进行了有支点阻尼及无支点阻尼的振动响应对比试验。研究结果表明，冲击载荷在通过静子件后会产生明显衰减，本文试验对象传递比最高仅为53%，远离转子支承处所承受的载荷远低于转子支承处的载荷。同时，阻尼会明显降低冲击瞬间的外传载荷，但对转子稳定后的稳态载荷影响较小。本文研究表明：进行航空发动机叶片丢失条件下安全性分析时，需考虑冲击载荷的衰减及阻尼影响。另外，合理的阻尼器布局将有效降低叶片丢失时产生的冲击载荷作用，有助于提升发动机的抗冲击能力。     

温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响

为探究不同工况下温度场变化进而导致材料属性变化对双转子系统动力特性的影响，提出将不同工况温度、转速变化与发动机双转子系统动力特性联合分析方法。通过发动机性能方程、相似性原理及稳态热分析方法拟合得到稳定工况双转子温度场，将温度场与转子结构有限元模型联合，推导了双转子系统有限元刚度矩阵受温度场影响的动力学方程。建立了典型发动机双转子支承系统热-固联合分析有限元模型，分析了双转子系统在不同工况温度场下固有频率、模态振型、稳态不平衡响应及应变能分布的变化情况。结果表明：随着工况升高，典型发动机双转子系统固有频率发生不同程度的下降，临界转速随之下降，最大下降幅度接近10%；在涡轮位置不平衡量作用下，受临界转速变化等影响，涡轮支承位置最大工作转速附近平均不平衡响应幅值较常温下增大近3倍，温致材料属性变化对双转子动力特性造成较大的影响。     

支承刚度非线性转子系统的不平衡响应

针对航空发动机中转子支承的刚度非线性问题,基于谐波平衡法,发展了一种适用于多自由度转子系统的不平衡响应计算方法.通过对带有非线性支承的双盘转子系统不平衡响应的数值模拟,获得了影响非线性转子系统不平衡响应的关键参数和重要规律.研究表明:转子不平衡响应的非线性特征与振型密切相关,转子的峰值频率和峰值振幅随支承刚度非线性的增强而升高,随不平衡的增大而增大,非线性支承会使响应中出现频率的3倍频和5倍频成分.     

基于不平衡加速响应信息的柔性转子双面平衡

模态平衡法和影响系数法是转子平衡中最常用的两类方法,它们都以转子的稳态响应为基础,因此称之为"稳态平衡方法"。针对当前转子稳态平衡方法中存在的不足,提出了利用不平衡加速响应信息进行柔性转子平衡的新方法。为了描述模态不平衡相对键相槽的角位置,首次引入了模态不平衡方位角的概念,并通过转子的不平衡加速响应信息对其进行了识别;在此基础上,结合转子的模态知识,添加合理的平衡试重组,利用各阶模态试重大小与对应阶模态不平衡响应幅度增量的线性关系,识别出校正质量组的大小,通过双面加重的方法实现了转子前两阶模态的平衡。仿真和实验结果表明,该瞬态平衡方法在有效降低转子不平衡振动的同时,减少了平衡过程中的起车次数。     

大长径比悬臂柔性转子动力特性分析

针对某小型涡扇发动机低压转子的动力特性开展理论研究。用有限元方法建立了低压转子的分析模型,借助转子动力学分析软件SAMCEF/ROTOR,对转子的动力特性(临界转速、振型和稳态不平衡响应)进行了计算和分析,并揭示了转子的稳态不平衡响应随悬臂端长度的变化规律。研究表明,低压转子在额定工作转速范围内存在二阶临界转速,振型均为弯曲振型,是一个典型的高速柔性转子。研究工作将为低压转子的动力特性和高速动平衡试验提供指导,并为同类转子悬臂端长度的设计提供参考。     

一种计算转子不平衡响应的新方法

建立了以状态方程和转移矩阵为基础的分析方法，以分析复杂转子的不平衡响应。在不必事先确定转子系统固有振型及自振频率的情况下，利用此方法可直接求得转子振动响应的精确解。该方法与传递矩阵法相结合，可容易地求解复杂转子系统的不平衡响应问题。算例分析表明，该方法简捷有效     

叶片丢失激励下航空发动机柔性转子系统的动力学响应

为揭示叶片丢失激励下转子系统动力学响应特征,考虑涡扇发动机低压转子刚度/质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征等,建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型。对突加不平衡激励及持续碰摩约束下转子系统动力学响应特性进行分析。结果表明:所建立转子动力学模型可以有效反映叶片丢失激励下转子冲击振动和复杂简谐振动响应特征。在突加不平衡激励下转子系统的瞬态振动响应加剧,具有显著冲击响应特征,并伴有转子横向固有振动。持续碰摩所产生的约束作用可使转子临界转速发生变化,虽然响应幅值降低,但频率成分及转子振动趋于复杂。      

具有局部非线性刚度的复杂转子系统动力学模型及振动特性分析

为了更加精确地预测航空发动机高速柔性转子系统振动响应,为整机振动抑制提供技术支撑,以实际航空发动机转子系统为对象,对其主体结构特征及其连接结构所引起的弯曲刚度非线性特征进行了论述,在此之上建立了其动力学模型。针对这种具有局部非线性刚度的复杂转子系统动力学模型,结合FFT和Broyden迭代方法发展了一种数值谐波平衡法,通过频域方程中的自由度缩减,降低了方程规模,大幅度提高了求解效率。将该方法应用于试验转子的动力特性求解,结果表明:本文方法相比经典数值积分方法可以节省10倍以上时间。采用此方法对涡扇发动机低压转子系统在局部非线性刚度下的动力响应规律进行了分析,论证了论文方法的工程适用性。