航空发动机转子结构布局优化设计方法

结构是航空发动机功能、性能及可靠性设计水平的综合体现,一切技术要求、性能指标、强度指标或者结构的安全性和可靠性都应建立在合理的结构布局设计上。提出了航空发动机转子结构布局并对其进行优化设计的观点,同时以典型高推重比涡扇发动机高压转子的结构构型为例,基于试验设计（DOE）的响应面法,应用有限元计算并通过多目标遗传优化算法,分别从抗变形能力、力学环境适应能力以及转子结构效率综合进行相关优化计算,论证了合理的结构布局形式可以大幅度提升转子的力学特性。研究方法对于航空发动机转子系统的初始结构布局设计具有指导意义,可以显著减少结构设计的迭代次数,缩短设计周期。      

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。      

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.     

叶盘结构特征设计的并行方法研究

以高推比航空燃气涡轮发动机压气机部件中的新结构－－叶盘为对象，探索了基于并行工程的产品设计关键技术；考虑设计、分析和工艺等要求的特征建模方法。在微机ＣＡＤ平台初步实现了叶盘统一建模，设计约束检查。并进行了设计模型与有限元计算模型的数据传输，完成了整体叶盘的基本强度和振型分析。     

某涡喷发动机数值建模与改型设计

基于面向对象的部件级航空发动机性能计算模块,构建了某无人机用小型涡轮喷气式发动机的稳态性能计算模型,并根据该发动机原始性能实验数据,对构建的计算模型进行了可信度校核.在模型校核的基础上,为提高该发动机在不同任务载荷下的功能适用性,利用部件匹配技术对该涡轮喷气式发动机提出了可行性改型设计方案.计算结果表明,在维持该涡喷发动机离心压气机工作线不变,同时保证热强度和结构强度可靠性的条件下,改进组合压气机中的轴流级压气机,可以使该发动机推力有较大提高,耗油率得到有效降低.      

基于特征造型技术的涡轮叶片参数化设计

针对航空发动机涡轮气冷叶片的结构特点,提出了叶片参数化建模的特征分类形式.然后,利用特征造型技术开发涡轮叶片的参数化设计系统;并以直背涡轮叶片为具体实例阐述了该参数化模块的开发过程,为航空发动机典型结构件的参数化奠定了基础.      

新概念旋转冲压发动机的研究与分析

为解决燃气涡轮发动机性能和成本受结构材料制约和冲压发动机不能独立使用和在地面应用的问题,在对燃气轮机、冲压发动机和内燃机3类发动机的结构进行分析和融合创新的基础上,提出了一种基于冲压压缩技术的新概念旋转冲压发动机的研究构想.该发动机主体结构为一内置有旋流燃烧室的高速旋转无叶无塞内燃转子,能融压气、燃烧和排气做功于一体.对其工作原理、结构方案和性能进行的初步研究分析表明,该发动机结构简单紧凑,体积小,成本低,效率高,功率大,可广泛用于航空与地面的各种动力.      

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。      

单-厚盘转子过两阶临界转速的瞬态振动分析

航空发动机特殊的鼓式压气机结构可简化为径向转动惯量大于轴向转动惯量的厚盘转子系统,其做正进动时存在两个固有频率.计算了单-厚盘转子分别以定角加速度和定功率过两阶临界转速时对不平衡激振力的瞬态响应,其中定功率厚盘转子还与外界能源发生非线性耦合.结果发现,单-厚盘转子的低阶振型为轴的弯曲,高阶振型为盘的偏摆,其中高阶模态是厚盘转子特有模态;过临界转速时瞬态振动由转子的自由振动和强迫振动合成;当功率不足够提供转子通过临界转速时,出现外界能源与转子系统的能量耦合,造成瞬态振动急剧增大而"失速".      

基于实体单元的转子动力特性计算方法

现代航空发动机振动分析必须考虑各结构间的动力影响,因此,应该运用实体单元对发动机进行整机建模.为了在进行复杂转子系统动力特性分析时能够考虑陀螺力矩的影响,在对八节点六面体实体单元有限元动力方程推导的基础上,对通用有限元软件MSC/NASTRAN,利用DMAP语言进行二次开发,通过修改解题序列,加入陀螺力矩、科氏力和离心力的影响因素.在对典型结构计算分析的基础上,总结了转动结构振动的一些特点,通过对计算结果的对比,证明本程序在计算复杂旋转结构模型时能全面考虑壳体行波振动和转子进动的影响,指出了其在整机建模中的应用前景.      

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。      

转子系统碰摩约束模型与振动响应分析

针对转静子碰摩的典型力学特征,从碰摩对转子产生附加约束的角度提出了碰摩力学模型,基于该约束模型,分析了转子系统碰摩过程中的共振区间扩展、振幅跃迁与不稳定接触等响应特征与机理.研究了力学特征参数对转子碰摩振动响应的影响,结果表明附加约束刚度提升使得系统共振区间与不稳定接触区间增大,而转静子间摩擦系数升高造成系统共振区间减小与振动响应幅值的降低.建立了具有航空发动机结构特征的碰摩分析模型,仿真结果表明,除碰摩约束造成的共振区间扩展外,具有结构特征的转子碰摩响应还与碰摩位置及模态振型密切相关.碰摩程度较轻时,转子瞬态响应表现出拟周期振动的特点,而碰摩程度严重时,转子运动趋向不稳定,响应特征更接近约束模型.      

高速转子连接结构刚度损失及振动特性

高负荷航空发动机转子的转速和支点跨度不断加大,使得转子弯曲刚度下降,并在工作中具有一定弯曲变形。转子弯曲变形时,连接界面会存在刚度损失,需考虑转子弯曲变形对连接界面刚度特性及转子系统振动特性的影响。提出了定量描述连接界面刚度损失的力学模型,并针对非连续转子系统的动力学设计,提出了基于应变能分布优化的连接结构刚度损失抑制方法。数值仿真结果表明:转子弯曲变形下,连接界面刚度损失显著,会使转子弯曲临界转速大幅降低;通过转子应变能分布优化设计可有效降低连接界面刚度损失对转子系统振动特性的影响,对转子系统振动特性优化设计具有重要的指导意义。      

基于试飞分析的直升机动力系统边界保护控制方法

涡轴发动机作为直升机等旋翼飞行器动力系统的主要部件,一旦发动机关键参数超限,一般采用降低燃油量及功率的方法进行限制,会暂时降低动力涡轮转速,使其低于正常额定状态约4%～6%。若未及时脱离超限状态,可导致动力涡轮转速继续降低,威胁飞行安全。为解决上述问题,基于对某型直升机从现象到数据的试飞分析,提出一种控制方法,通过设计总距控制律,在发参超限状态下实现动力系统边界保护控制,若未及时脱离超限状态,则自动改出,恢复动力系统正常控制,大幅增强了直升机动力系统控制的鲁棒性及飞行的安全性。通过动力系统建模,并对控制律进行仿真,验证了所提方法的正确性。