发动机双转子-机匣耦合系统碰摩故障分析

根据航空发动机双转子结构已被大量采用,构成航空发动机双转子-机匣耦合系统,将航空发动机转子系统简化为双转子-机匣耦合动力学系统,其中轴承被简化为弹簧和阻尼.考虑了低压转子与高压转子通过中介轴承的耦合作用,导出了连续体双转子多盘-机匣系统的四阶偏微分运动方程.运用变步长四阶龙格库塔法模拟了双转子系统的碰摩故障响应,分析了转速和中介轴承刚度对系统碰摩故障响应的影响,发现了该双转子模型在发生碰摩故障时的一些非线性动力特性,为解决工程实际问题提供了可参考的理论依据,具有一定的工程意义.      

高涵道比涡扇发动机结构与力学性能定量评估

针对高涵道比涡扇发动机结构设计需求，提出转子系统、承力系统和整机的结构效率评估参数，建立了结构设计参数与力学特征参数之间的联系。典型发动机评估结果表明:受大尺寸风扇限制，高涵道比涡扇发动机低压转子系统的平均应力系数在0.2~0.3之间，低于其他类型的航空燃气涡轮发动机。在工作转速范围内，低压转子不可避免地存在弯曲型临界转速，须将转子连接结构设计在低应变能区域。机动飞行中，整机的转静间隙值变化范围为［-1.4,1.0］mm，低压涡轮是间隙控制的重点位置。      

反向旋转双转子稳态响应计算分析与试验

航空发动机采用反向旋转的双转子系统, 有助于减小转子整体陀螺力矩对飞机的影响, 降低机匣负荷, 提高飞机机动性能.分析了一种具有中介轴承的反向旋转双转子结构的稳态响应, 其中介轴承外圈与低压转子联接, 内圈与高压转子联接.针对这种结构, 应用传递矩阵法, 结合边界条件, 分析了反向旋转双转子结构稳态不平衡响应的变化规律, 研究了内、外转子盘轴心轨迹和质心的变化特点, 并进行了相应的试验研究, 验证了计算仿真的相关结论.      

航空发动机风扇叶尖径向间隙数值分析

采用流-固-热耦合计算方法,综合考虑离心载荷、温度载荷和气动载荷影响,对某改型发动机的风扇转子和风扇机匣进行数值分析,获得了发动机三个典型状态点下,风扇转子和风扇机匣的压力、温度及结构变形分布;通过对风扇转子和风扇机匣两者变形的叠加,获得了风扇叶尖径向间隙分布。计算结果显示:该型发动机在原型机设计点和转速最高状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面发生碰磨;而在温度载荷最大状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面始终存在间隙,这会影响到该状态点下的风扇效率,需在后续设计中予以考虑。     

双转子发动机转差引起的叶片尾流激振

介绍了双转子结构发动机在飞行使用中高、低压转子转速差随转速的变化特点,提出了转差可能在高、低压转子交界处的动叶间引起尾流激振的观点,并通过计算实例对转差引起的叶片尾流激振特点作了简要描述.与导向器的尾流激振比较,转差引起的叶片尾流激振有着易激起危险的低阶振型、共振转速范围宽和激振强度低的特点.      

航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力学分析

以双转子航空发动机为研究对象,建立了航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在模型中,考虑了低压转子与高压转子的中介轴承、高压转子与机匣的碰摩、以及滚动轴承外圈与轴承座之间的弹性支承和挤压油膜阻尼等耦合作用.在滚动轴承模型中,考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(Varying compliance)振动等.最后,运用数值积分方法获取了系统响应,对双转子系统响应进行动力学分析与验证.      

齿轮传动涡扇发动机低压转子结构与动力学分析

选取齿轮传动涡扇发动机低压转子为研究对象,以结构效率评估参数量化其动力学特性.通过建立低压转子简化模型,对低压转子关键结构参数(即支承方案、支点支承刚度)对其动力学特性的影响规律进行了研究,阐明了低压转子结构参数与其动力学特性的关系,并对其支承方案及支承刚度进行了优选设计.当低压转子支承方案为1-0-1,两支点支承刚度分别为5.84×107N/m和5.90×107N/m时,转子动力学性能较优,此时转子角向抗变形能力较好,前两阶临界转速分布满足共振裕度设计要求,且分布于小的转速区间内.      

几种军用涡扇发动机结构设计分析

本文对国外几种服役的以及将于九十年代后期使用的歼击机用涡扇发动机F100，F404，F110，RB199，M88，EJ200等从结构设计上进行了分析，重点分析了发动机总体方案的设计，包括转子支承方案，承力框架，联轴器，止推轴承的布局等。除此，还对转子的结构（焊接转子，环形燕尾槽，叶片盘等），新近发展的刷式封严件，涡轮出口机匣作为半级涡轮的结构设计等进行了分析。     

含滚动轴承的同向和反向旋转双转子系统动力学响应

以双转子航空发动机为研究对象,建立了航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.模型中考虑了低压转子与高压转子的中介轴承耦合作用,滚动轴承模型中考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(varying compliance)振动等因素.利用仿真模型,进行了同向和反向旋转双转子系统的拍振响应分析,结果表明当高低压转子的转速差较小时,双转子系统的拍振响应明显.同时研究了同转和反转双转子系统轴心轨迹响应的差异,研究表明反向旋转双转子系统的轴心轨迹会形成“花瓣”状.最后,利用双转子试验器验证了仿真结果的正确性,进一步验证本文所建模型的正确性.      

RR公司3转子民用发动机技术发展思路

为了探寻RR公司在民用航空发动机领域中的技术和产品发展思路,对该公司3转子民用发动机产品的发展历程和市场情况以及发展的外部条件进行了简要回顾分析。介绍了RR公司3转子发动机的总体布局方案,并通过对波音787客机所使用的典型3转子发动机与双转子发动机的对比,分析了3转子布局技术特点。归纳总结出RR公司3转子民用发动机的技术发展思路的特点:大胆尝试、紧扣市场、低压部件与核心机协调发展和应用缩放技术。     

Research on the aerodynamics of intermediate turbine diffusers

Intermediate turbine diffusers represent the flow path between the high pressure and the low pressure turbine of a high-bypass ratio turbofan aero engine. Caused by the different rotational speeds of high and low pressure spool, these components have to diffuse and guide the flow safely to a larger diameter without disturbances or boundary layer separations. The large radial offset between in- and outlet of intermediate turbine diffusers leads to a pronounced S-shape. The trend for further increased bypass ratios will require more attention to this component since its shape influences the overall weight of engine and nacelle considerably. The complicated aerodynamics of these annular ducts has to be understood to realize short S-shaped diffuser designs. This article tries to review the flow evolution through intermediate turbine diffusers and discusses the influence of the different effects in a systematic way. Investigations by various researchers are presented and test turbine rigs for experiments under engine realistic duct inlet conditions are described. Special focus is laid on different measures for the designer to produce more aggressive diffuser layouts whilst keeping the losses low. The application of flow control, shape optimization and endwall contouring are promising actions to shorten the diffuser length and, furthermore, to gain an engine weight reduction. The paper ends with a discussion of new design concepts for turbine ducts as well as for future engine architectures. It can be concluded that intermediate turbine diffusers will become a key component for keeping the overall engine weight and fuel burn low.     

涡轮轴断裂条件下的涡扇发动机性能建模

为了研究双轴混合排气涡扇发动机高压轴断裂失效后的动态性能，建立了轴断裂条件下涡扇发动机过渡态的共同工作方程，以及各部件考虑容积效应和气体惯性力的模型部件。在此基础上，分析了地面起飞状态和巡航状态下涡扇发动机高压轴断裂后发动机气路参数的瞬态响应规律和机理。研究表明:涡扇发动机高压轴断裂会在不超过05s的时间内导致压气机喘振、涡轮前温度超温、涡轮转速超转等继发性危害事件。在不同飞行状态下出现的轴断裂，上述事件发生的先后次序各不相同。尤其在地面起飞状态下，涡轮超转事件极可能先于压气机喘振现象而发生，012s内涡轮即可达到其破裂转速。这些都需要在航空发动机被动安全设计中给予足够的重视。      

发动机的涡轮导向器面积、喷口直径等匹配参数调整的计算方法研究和应用

在双轴式涡轮喷气发动机中 , 及 级涡轮导向器面积和尾喷口面积匹配关系影响到发动机工作稳定性、可靠性和性能。本文用计算分析方法进行了研究 ,推导出便于编程计算的 6个方程 ,用低压涡轮功等于某一常数代替低压转子转速为常数的调节方案 ,并用发动机台架实测参数确定部件某些系数 ,计算仅在设计转速上进行。计算结果指导了某新研发动机三面积的调整 ,获得合适的三面积调整范围 ,解决了该发动机的调整参数匹配问题 ,按本方案调整的发动机经外场使用表明工作稳定、可靠     

带级间燃烧的涡轴发动机性能仿真

为了分析涡轮级间燃烧技术对常规涡轴发动机性能提升的潜力,针对两种带级间燃烧的涡轴发动机性能方案,分别建立了部件级稳态性能计算模型,并通过仿真对比分析了级间燃烧室不同温升及总压损失条件下发动机的整机性能,结果表明:级间燃烧室总压恢复系数和温升对单位功率和总功率影响较大,当级间燃烧室总压恢复系数为0.95、温升为200K时,保持进口空气流量不变,涡轴发动机单位功率和总功率增加17%,耗油率增加约11%;在高的级间燃烧室温升条件下,适当增加动力涡轮导向器面积,改善涡轮流通能力,有利于进一步提高整机功率,降低动力涡轮前温度;两种方案对比,在涡轮过渡段设置级间燃烧室空间上更好布置,性能上更占优势.      

双轴涡喷发动机脉冲停供油时动态过程的数值模拟

在数值模拟双轴涡喷发动机脉冲停供油时动态工作过程中, 考虑到脉冲停供油会引起燃烧效率和涡轮效率恶化, 从而偏离特性图上所示值, 且因实验较难获得上述效率修正关系, 因此提出用实测的高、低压转速曲线代替上述效率做为数值模拟的已知条件。应用这一方法模拟了某型发动机脉冲停供油时的动态过程, 数值结果与实验值基本符合, 并获得该动态过程燃烧效率数据。      

基于安全寿命法的高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验

基于英军标Defence Standard 00971对盘类零件的安全性要求,采用安全寿命法对某型发动机高压涡轮盘的低循环疲劳寿命试验进行了研究.通过有限元法对发动机工作条件下的高压涡轮盘进行了应力分析,考虑了温度场对应力分布的影响,按照Defence Standard 00971的要求确定了高压涡轮盘的关键部位及其标准循环,制定了高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验方案,给出了基于试验结果确定高压涡轮盘安全寿命的方法.分析表明:中心孔和螺栓孔的应力系数分别为1.0和1.017,均在合理范围内;提高高压涡轮盘转速同时截短涡轮叶片的试验方法能有效模拟热应力对寿命的影响,对高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验具有重要指导意义.      

一种应用滑动最小二乘求取压气机特性的新方法(修改稿)

发动机性能仿真需要对压气机等部件特性进行离散和插值计算,通常低转速范围的特性还需要外推。对此提出改进,用三维曲面代替转速线表达压气机特性。从某小流量发动机起动加速实验数据中提取压气机低转速特性数据。以这些数据和已知特性数据为依据,利用滑动最小二乘法拟合计算获得压气机特性曲面。该方法能够获得全部转速范围内的压气机特性,精度高,且不需插值计算,非常适用于发动机起动加速过程的仿真计算。     

一种应用滑动最小二乘求取压气机特性的方法

发动机性能仿真需要对压气机等部件特性进行离散和插值计算, 通常低转速范围的特性还需要外推.对此提出改进, 用三维曲面代替转速线表达压气机特性.从某小流量发动机起动加速试验数据中提取压气机低转速特性数据.以这些数据和已知特性数据为依据, 利用滑动最小二乘法拟合计算获得压气机特性曲面.该方法能够获得全部转速范围内的压气机特性, 精度高, 且不需插值计算, 非常适用于发动机起动加速过程的仿真计算.      

进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性的影响

基于平行压气机原理,建立了进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性影响的理论模型和计算分析方法,评估了总压畸变和总温畸变对某型大涵道比涡扇发动机稳定性的影响,获取了发动机的临界畸变指数和首发失稳级组.结果表明：总压畸变在风扇中衰减幅度最大,发动机在高转速下运行达到临界总压畸变值时,风扇率先失稳,在低转速下运行时为增压级率先失稳;总温畸变在高压压气机中衰减幅度最大,发动机在高转速运行达到临界总温畸变值时,高压压气机率先失稳,在低转速运行时为增压级率先失稳.     

涡扇发动机熄火故障在线检测方法

采用机载可测量的高压转子物理转速、低压转子物理转速和发动机进口总压等参数,建立了基于换算加速率的熄火故障在线检测方法。经全包线发动机工况计算仿真和试验验证,熄火过程的高低压转速加速率幅值为减速和喘振过程的1.5~5.0倍,高压轴断裂过程的高压转子加速率幅值是熄火过程的6.0~10.0倍,低压轴断裂过程的低压转速加速率幅值是熄火过程的2.0~3.5倍。这些特征能够将熄火与减速、喘振和断轴等瞬态过程明确区分。经发动机试车验证,该方法检测时间为0~0.3s,检测率100%,未发现误检和漏检。