柔性转子动力学特性及支承结构安全性设计

叶片飞失极限状态下,航空发动机转子系统承受冲击载荷和大不平衡载荷,载荷通过转子结构传递到支承结构,对支承结构造成严重损伤。从安全性的角度看,需要对航空发动机轴承-支承结构在极限载荷下的承载能力进行有效的定量评估。提出一种新型缓冲阻尼支承结构,通过对支点刚度突降和高阻尼设计,实现在止推轴承支点处大幅降低横向冲击载荷的影响。建立考虑支承结构刚度突变和阻尼特性的转子系统动力学方程,并计算突加不平衡激励下,转子系统支点动载荷分布的变化规律。结果表明:通过优化设计支点刚度和阻尼参数,缓冲阻尼支承结构,能够有效降低突加不平衡激励下止推滚珠轴承的支点动载荷,提高支承结构的安全性。     

风扇叶片丢失激励下转子-支承系统结构安全性设计策略

以高涵道比涡扇发动机风扇叶片丢失载荷激励下的转子-支承系统为研究对象,提出了一套结构安全性设计策略,即通过支承方案与载荷分配、变刚度支承结构和支承结构变形控制,结合转子结构动力学特性设计,实现转子结构安全性设计.研究表明:风扇后支点采用变刚度支承结构设计,能够在转子减速停车过程中减小风扇局部振动临界转速与相应振幅.通过设计滚珠轴承支承锥壳锥角,能够使支承具有较高的轴向承载能力并减小转轴变形对滚珠轴承的影响.轴承座底部与转轴间采用鼓形配合面连接设计,能够在大弯矩作用下通过配合面相互滑移避免支承随转轴变形,保证轴承安全.研究结果可为恶劣载荷作用下高涵道比涡扇发动机结构安全性设计提供依据.      

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。     

风扇叶片飞失下的结构降载机理

利用简化的转子有限元分析模型,从转子临界转速、支点动态载荷响应和转子轴心轨迹等方面进行了有无降载设计的对比分析,研究了风扇叶片飞失下的结构降载机理。结果表明:由于1#支点的熔断设计,低压转子支承由3个支点变为2个支点,风扇振型的临界转速降低,使得风扇转子运行在超临界转速上,轴心轨迹半径减小,从而降低高转速下的载荷响应,同时该机理研究采用的方法可用于熔断结构载荷阀值范围的确定以及其降载效果的评估。      

突加不平衡激励碰摩转子反向涡动分析

建立了考虑叶片-机匣碰摩、挤压油膜阻尼的模型,推导了转子发生失稳的判别条件。从复非线性模态角度分析了突加不平衡激励下转子的动力特性,揭示转子反向涡动响应的形成过程及存在条件。通过参数分析获得转子发生反向涡动的敏感参数及其影响规律,并根据突加不平衡激励下转子反向涡动的响应特征分析某航空发动机叶片飞失故障。计算结果表明：转子能够发生反向涡动需要满足两个条件,其一,转子本身存在反进动模态失稳区;其二,冲击载荷使叶盘幅值达到反进动模态阻尼失稳点并进入反进动模态失稳区。实际航空发动机转子中具有因突加不平衡而发生反向涡动的风险,会造成支承结构破坏,严重威胁航空发动机的安全。增加转子阻尼、降低叶尖-机匣摩擦因数、降低静子叶片刚度、采用挤压油膜阻尼结构均有利于降低该风险。     

冲击激励转子系统动力学响应及安全性设计

叶片丢失是高涵道比涡扇发动机适航认证的关键,是影响结构完整性和安全性的关键问题。针对叶片丢失产生的冲击载荷激励,开展了转子结构系统的动力响应机理和安全性设计方法研究,为发动机结构完整性设计提供支撑。建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型,考虑了刚度质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征。通过理论和试验,揭示了突加不平衡激励和超大不平衡转子受到持续的冲击碰摩作用过程中,转子振动响应和轴承支反力响应特征。结果表明,支承结构是影响系统存亡的关键环节。提出了提高整机系统安全性的变支承刚度设计方法,在保护轴承完整性、避免抱轴的同时,也降低了系统的振动响应。基于整机模型的叶片丢失全过程的算例仿真分析表明,该方法使支点所受峰值载荷降低了46%,验证了安全性设计策略的有效性。     

航空发动机耦合双转子系统响应特性分析方法研究

涡扇发动机普遍采用耦合双转子结构,由于中介轴承耦合的影响及高、低压转子动力学特性的复杂性,导致转子-支承系统在设计时常无法避开所有临界转速。通过添加弹性及阻尼结构,可有效减小过临界转速时转子系统的振动。为分析耦合双转子结构过临界转速时的振动响应特性,可通过迭代法获得支点阻尼器的阻尼值,并利用过临界转速时稳态响应的Nyquist图椭圆近似特征对结果进行修正,从而得到更具参考价值的响应特性。     

高速转子系统支承结构及力学特性设计方法

针对航空发动机高速转子系统支承结构及力学特性设计问题，开展支承结构约束特性（支点位置和支承刚度）对转子系统刚度及转子动力学特性的影响分析，建立转子支承结构约束特性与转子力学特性关联力学模型。通过对转子系统支承结构特征参数与刚度特性、振动特性等力学特性的关联性分析，定量描述了转子支承约束特征及轮盘惯性载荷对转子系统动力学特性的影响规律，在此基础上，提出了基于转子变形控制的支承约束特性与转子力学特性一体化设计方法。仿真计算结果表明:对于高速转子系统可以通过对支点位置及支承约束刚度的设计，调整转子弯曲变形和临界转速的分布特征，使其在通过或靠近弯曲振型临界转速的高转速工作状态下，具有足够的安全裕度。这种通过结构特征参数的变化，优化转子系统力学特性的方法，对航空发动机总体结构布局及动力学设计具有重要的工程参考价值。      

叶片丢失激励下整机力学行为及其动力特性

针对叶片丢失激励下航空发动机整机动力响应问题,分析了机匣、转子-支承系统以及安装节在内的整机结构系统的物理过程和力学行为。基于大涵道比涡扇发动机结构和力学特征,建立了转子系统动力学分析模型,并对其进行了数值仿真分析。结果表明:叶片丢失导致转子系统变为具有非对称时变参数特性的转子系统,其减速停车过程会对转子系统产生附加激振力,使转子系统的振动响应特征产生变化。为恶劣载荷激励下转子-支承结构安全性设计和结构动力学一体化设计提供理论基础。     

突加不平衡作用下转子系统的主动降载实验

为了实现突加不平衡作用下的转子安全性设计，分析了突加不平衡作用下的锥壁降载结构机理，设计了支承刚度可控的主动降载实验系统并进行了实验验证。结果表明:锥壁熔断降载的本质是减小转子支承刚度，从而降低临界转速并在减速停车时降低转子支承载荷与相应振幅。设计的主动降载机构利用可控支承，自适应地改变支承刚度，有效的模拟锥壁熔断降载作用，并能够低成本、重复性的实验验证熔断降载机理，为突加不平衡的安全性设计提供实验条件与数据支撑。      

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。      

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。      

直升机在机动状态下的桨叶弹击数值模拟

为了研究直升机旋翼桨叶在机动状态下的弹击损伤，在数模模拟中，预先考虑了桨叶在机动状态下的拉力、挥舞力矩、摆振力矩对弹击损伤的影响。针对某型机旋翼桨叶，采用全尺寸有限元模型进行了弹击数值模拟分析。首先使用自编Fortran程序和VABS软件计算了桨叶剖面特性；之后建立了弹性桨叶结构载荷分析模型，采用CAMRIDII软件计算了机动状态下的桨叶载荷；在此基础上，使用NASTRAN软件对桨叶进行瞬态分析，得到桨叶施加载荷的预应力状态；再使用DYTRAN软件，基于自适应接触法，模拟桨叶弹击损伤。研究表明：桨叶结构损伤程度与弹击速度是非线性关系；除了弹击点，大梁与上下蒙皮的过渡区域是二次损伤部位；桨叶抗弹击设计需要考虑结构件之间的刚度匹配问题，以达到最佳的抗弹击吸能效果与最小损伤面积。     

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

转子越过临界转速的振动特性试验研究

以盘偏置单盘双简支试验器转子为对象,由加速与减速的幅频特性曲线确定转子的临界转速。以幅频特性曲线模态计算法确定盘处的偏心距和阻尼比,用弯、扭耦合传递矩阵法计算临界转速及稳态不平衡响应,同时分析了偏心距及初始弯曲按一阶振型分配时,转子越过临界之振动特性。由试验与理论分析结果表明,加速度对振动特性有明显的影响。