动力涡轮转子结构系统力学特性稳健设计方法

航空涡轴/涡桨发动机动力涡轮转子是典型多支点支承、具有连接界面、质量/刚度分布不均匀的高速柔性转子系统,其连接结构力学特性和支承刚度的分散性可导致转子系统动力特性恶化。针对典型动力涡轮转子结构系统,指出不可恢复滑移、疲劳、摩擦等连接界面接触损伤是连接结构力学特性产生分散性的内在原因,提出了接触状态系数、接触应力、不可恢复变形能和接触摩擦功等工程适用的定量评估参数。通过对多支点柔性转子-支承系统临界转速分布及其对各支点支承刚度敏感度的影响规律分析,提出了基于支承刚度低敏感区择优的动力特性稳健设计方法,所提方法提高了转子结构系统的稳健性。      

高速柔性转子系统动力特性稳健设计方法

高速柔性转子系统为控制其转子变形和多阶临界转速分布,常采用多支点支承方案,而转子-支承结构力学参数的分散性,使得转子动力特性设计成为多变量多目标非确定性优化问题。通过Lagrange法建立柔性转子运动方程,定义罚函数以定量描述多阶临界转速的分布特征,采用区间数学分析方法和遗传算法结合的方式,建立了基于临界转速分布特征优化及连接结构刚度损失控制的转子系统动力特性稳健设计方法。算例表明,通过将多阶临界转速集中于一定转速区间,并控制连接结构弯曲应变能分布比例,可有效减小转子通过多阶临界转速时的振动响应,降低转子动力特性对连接结构受力状态变化的敏感度,提高高速柔性转子系统动力特性的稳健性。      

复杂转子系统支点动载荷模型及其优化设计

针对高推重比涡扇发动机中带中介轴承复杂转子系统的支点动载荷振动响应及优化设计问题,建立了转子系统支点动载荷力学模型,研究在不同转速下,不平衡量、转子弯曲变形及轮盘惯性载荷等因素对支点动载荷的影响。计算分析了双转子系统支点动载荷随转速变化规律,揭示了高速双转子系统中介支点动载荷与转子弯曲变形及轮盘惯性载荷的关系,并提出了基于转子弯曲变形弹性线斜率控制的双转子系统支点振动响应优化设计方法。结果表明,通过优化高压涡轮后轴颈结构、调整低压涡轮后支点靠近中介支点,可以有效减小中介支点动载荷的大小和不平衡量对其影响的敏感度,为具有中介支点的复杂转子系统支点振动响应优化设计提供了理论方法。      

具有初始热变形的转子系统振动响应分析

航空发动机热起动时的温度分布不均会使转子产生初始热变形,进而引起发动机振动过大,甚至导致起动失败。针对此问题,以航空发动机中的典型转子为对象,根据初始热变形对转子振动的影响建立相应的动力学方程,并通过模态坐标变换分析初始热变形对转子系统振动响应的影响。结果表明,初始热变形相当于对转子作用了附加激励,包括转轴初始弯曲激励、附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励,上述激励均与转速同步。其中,附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励大小与转速有关,对转子通过各阶临界转速的振动响应均有较大影响;转轴初始弯曲激励大小与转速无关,主要影响低阶临界转速的振动响应。      

非线性油膜力作用下转子弯扭耦合振动特性研究

建立了非线性油膜力作用下转子-轴承系统弯扭耦合振动的数学模型.采用Rugge-Kutta数值积分方法计算模拟了转子升速过程中弯曲振动和扭转振动的不平衡响应,得到了转子弯曲振动的三维谱图和分岔图.分析发现,转子的弯曲振动会发生倍周期和概周期等复杂的非线性动力学行为.通过与不考虑弯扭耦合作用的系统特性进行比较,指出在转子弯曲振动临界转速附近,弯扭耦合作用对转子弯曲振动特性影响最大.数值分析揭示了扭转振动随转速升高,振幅基本保持不变,频率减小,有助于更深入地认识转子-轴承系统的弯扭耦合振动特性.     

共用支承-转子结构系统振动耦合特性分析

针对带有涡轮级间共用承力框架的转子系统,为准确描述转子-共用支承-转子（简称共用支承-转子结构系统）之间的振动特性,采用转子截面横向和角向振动特性耦合动力学模型,振动耦合产生机理及影响规律进行研究。理论分析结果表明:转子支点的动态响应对其他转子的支点动刚度特性及转子振动响应特性具有一定影响,共用支承结构振动响应对转子系统振动特性的计算误差超过10%,因此,在共用支承-转子结构系统的临界转速和振动响应计算分析中,需要考虑2个转子与共用支承结构的振动耦合影响。对于涡轴发动机共用支承-转子结构系统的有限元仿真计算结果表明:由于存在共用承力框架,2个转子之间将发生振动耦合,系统产生耦合振型,某一转子转速将会影响另一转子所激起的系统共振临界转速;并对共用承力框架结构的隔振特性也有影响,2个转子共同激励下振动响应与转子单独激励相比,在承力框架安装边上的动载荷以及载荷传递系数均大幅度提高。      

吊舱平台微电机转子系统的分岔特性分析

通过对光电吊舱稳定平台的微电机转子系统进行非线性动力学分析,得出了影响吊舱平台系统稳定输出的一些设计要素。着重考虑转子系统的转速变化对转子系统稳定性的影响,其响应会出现周期、拟周期及混沌振动状态。根据非线性分岔特性结果可知,在吊舱平台稳定性设计中需要考虑到转速及刚度特性对平台探测稳定性的影响。     

连接界面变形对转子动力特性影响的力学模型

针对航空发动机在工作过程中振动量增大且伴随有一定的界面磨损问题,在结构特征分析的基础上建立了三盘转子-支承系统动力学模型,并将接触端面同轴度偏差以及平行度偏差进行参数化描述,基于Lagrange方程得到考虑界面变形的高压刚性转子系统动力学微分方程。结果表明,界面变形将使得刚性转子系统产生附加激振力,同轴度偏差引起的附加激振力幅值与转速平方成正比,仅作用在相应自由度上;平行度偏差引起的附加激振力幅值仅与系统刚度和平行度偏差量有关,与转速无关,且其在支承自由度方向上存在一定分量。      

航空发动机整机有限元模型转子动力学分析

现代航空发动机在工作中不断变化的机械激振,气动激振频率越来越复杂,这使得对航空发动机振动分析必须考虑各结构间的动力影响.因此,利用能够考虑陀螺力矩影响,基于NASTRAN中实体单元编制的转子动力特性计算程序,对发动机整机进行了动力特性计算.首先对转子支承结构传递函数(动刚度)进行计算,并进一步研究其对转子动力特性的影响;分析比较基于不同单元模型计算时,盘轴耦合振动及盘轴连接处的角刚度对转子动力特性的影响,证明了基于实体单元的整机模型能够准确考虑各种振动模态.最后,在分析中发现了高阶转子弯曲振动模态与机匣振动耦合现象及其变化规律,在计算分析的基础上研究了在考虑机匣振动耦合时转子系统临界转速的确定方法.      

航空发动机转子动力优化设计软件工具研究

通过对航空发动机多转子系统的转子动力学优化模型的深入分析与研究,采用模糊数学中的正态分布的隶属函数的加权之和,对多阶临界转速相对于多个常用工作转速的分布状态进行了描述,并由此构造了目标函数;按照设计工程需要选定了对临界转速有显著影响的多个因素作为设计变量;按照设计规范的要求选定性能约束; 从而成功地建立了航空发动机转子动力学优化数学模型.在Windows98/NT平台上开发了航空发动机转子动力学优化设计软件工具.该工具可以实现多转子系统的转子动力学优化设计和整体转子的有限元变形与应力分析.以航空发动机转子为实例,验证了转子动力学优化设计软件工具在航空发动机优化设计中的应用,取得了满意的优化结果.     

航空发动机承力结构隔振设计方法及试验

基于先进航空发动机承力框架的结构与力学特征,通过理论分析与仿真计算验证了高隔振性承力框架结构动力学设计方法。通过对承力结构刚度/质量分布及几何构形突变的优化设计,提高转子支承结构在宽频域内的机械阻抗,实现在转子工作转速范围内的高隔振性。根据承力结构刚度/质量分布对隔振性的影响,采用折返式非连续结构,设计并搭建了转子-承力框架试验系统,通过试验进一步验证了高隔振性承力框架设计方法。试验结果表明:在承力结构中采用非连续性设计可在宽频域内对不同位置支点处激励具有良好的隔振效果。      

辐条式高速转子轴向挠性振动特性

惯性执行机构高速转子轴向挠性振动所诱发的干扰会对高精度、高稳定度的航天器造成不利的影响。为了使这种影响尽可能地降到最低,需要研究高速转子的挠性振动模型。在转子发生轴向挠性振动的过程中,可以将转子的辐条看作是一端固定、一端有集中质量的悬臂梁。文章通过这种方法建立了辐条式转子的轴向挠性振动模型并对转子的轴向挠性振动特性进行了分析。结果表明,当外加激励的频率等于转子的固有频率时,将诱发转子产生大幅的轴向挠性振动。此外,满载精度要求较高的情况下,可以通过能量法建立转子的轴向挠性振动模型,从而提高模型的精度。     

高速柔性转子支承松动力学特征及动力特性

针对高速柔性转子支承松动的结构特征、力学特征以及多支点转子系统动力学设计的需要,研究了转子支承结构松动引起支承刚度非连续变化的产生机理,建立了支承松动转子系统动力学模型,分析了支承松动转子系统存在混沌运动的条件,即当转子动力特性对支承刚度变化敏感时,受支承刚度阶跃影响,支承松动转子系统会产生混沌运动。根据多支点转子系统动力学特性与支承结构位置、刚度的相关性,采用优化支承位置和支承刚度的方法,使转子动力特性对支承刚度非连续变化不敏感,为多支点高速柔性转子系统的动力学优化设计提供了设计途径。     

热致混合式转子变结构与动力学特性

航空发动机、汽轮机等大型旋转机械多运行在复杂多变的高温环境中，机组主转子系统在工况下因热膨胀而产生结构变化，进而影响运行特性。首先，考虑盘鼓混合式旋转构件与转轴相比具有高刚度特点，将其结构简化并建立单厚盘转子动力学模型；其次，针对热膨胀引发的系统变结构特征，以曲线拟合结合Hermite插值法描绘出圆柱厚盘窜动到任意位置时的转轴弯曲情况，根据弯曲轴所储存的弹性势能运用数值方法折算出对转盘所提供的恢复力及转轴的弯曲恢复刚度；最后，通过数值分析热膨胀诱发的轴向窜动对厚盘转子系统进动频率、临界角速度和振动响应幅值等动力学特性的影响，验证了热膨胀诱发的转轴窜动因素是影响厚盘转子系统动力学特性的主要因素之一。      

高速柔性转子系统非线性振动响应特征分析

针对高速柔性转子多支点支承的结构特点及转子动力特性设计的需要,分析松动支承对转子动力特性的影响,仿真研究得到多支点支承高速柔性转子系统的非线性振动响应特征。研究结果表明:工作在多阶临界转速以上的转子系统,存在松动支承时,工作中的柔性转子可能存在周期、拟周期、混沌运动。进而研究了松动支承位置、不平衡量、松动间隙等参数对多支点支承柔性转子振动响应的影响,分析结果为多支点支承高速柔性转子系统的动力学设计提供了理论方法。