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。     

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.      

对转双转子系统径向-轴向耦合碰摩故障仿真

基于一种新型径向-轴向耦合碰摩的对转双转子系统力学模型,利用数值积分方法,对双转子系统由碰摩导致的振动特性进行了仿真研究。分别给出了低压转子单独径向-轴向耦合碰摩、高压转子单独径向-轴向耦合碰摩和高低压转子共同径向-轴向耦合碰摩下的轴心轨迹、幅值谱图和时域波形图。仿真研究结果表明：在低压转子单独发生径向—轴向耦合碰摩且转速比较低时,低压转子节点的时域波形具有一定的拍振效应,随转速比的增加,拍振效应逐渐消失,但高压转子节点的时域波形,在3种转速比下均没有拍振效应;在高压转子单独径向-轴向耦合碰摩转速比较低时,高低压转子节点的时域波形均表现出一定程度的拍振效应,随转速比的增加拍振效应也逐渐消失,但时域波形却变得“复杂化”;在高低压转子共同发生径向-轴向耦合碰摩时,在所有转速比下,高低压转子节点的时域波形均没有表现出拍振效应。     

齿轮传动风扇发动机转子系统结构与动力学分析

考虑齿轮传动风扇发动机(GTF)风扇转子与低压转子的耦合关系,提出了转子系统简化整体模型,针对该模型给出了GTF发动机转子系统的临界转速计算方法.揭示了整体模型与单转子模型临界转速计算结果的差异,以及典型力学特征参数对GTF转子系统临界转速与模态特征的影响.计算结果表明:相比考虑耦合关系的整体模型,将风扇转子与低压转子分开计算会导致转子系统固有频率值偏移及部分临界转速丢失;齿轮箱安装支承刚度增大会使得系统临界转速上升,保持安装刚度大小在106N/m量级以下可使系统动力特性较优;传扭轴段刚度与齿轮径向啮合刚度对系统动力特性影响较小.      

双转子涡喷发动机高,低压压气机压缩功的分配

在航空发动机初步设计阶段,要进行方案选择,包括发动机热力循环参数的选择和发动机调节方案的选择,都必需考虑到各种因素的影响,具有重要意义的是燃气涡轮发动机的稳定性。对双转子涡轮喷气发动机来讲,除了在设计点应具有足够的稳定裕度之外,还应特别重视高、低压压气机功分配问题。它关系到高、低压压气机的协调工作和高、低压转子共同工作线的走向,也就是发动机非设计状态的稳定性。简捷地定性分析了高、低压压气机功分配系数对发动机起动性、加速性及发动机巡航状态下经济性的影响,明确地给出了由八台苏、美双转子涡轮喷气发动机统计得出的高、低压压气机功分配系数的数值范围,可提供工程设计参考。     

低压转子分出功率对高空长航时无人机发动机的影响

建立了高空长航时无人机发动机性能计算模型,引入雷诺数对发动机部件性能影响的修正,编制了相应的计算程序.计算分析了不同类型的中小推力涡扇发动机在高空条件下低压转子分出功率对发动机和核心机状态的影响,以及高/低压转子同时分出功率对发动机的影响,并对分出功率在高、低压转子的分配比例进行了分析.结果表明:在高空条件下,与高压转子分出功率相比,低压转子分出功率能明显改善无增压级涡扇发动机的风扇/压气机喘振裕度和带增压级涡扇发动机的增压级喘振裕度,能在保证发动机稳定工作的前提下,大幅度提高无增压级涡扇发动机的高空分出功率能力,有效提高带增压级涡扇发动机的高空分出功率能力,此外,低压转子分出功率可使核心机的转速、换算流量、增压比提高9%~14.8%,能有效地挖掘核心机的潜力.      

航空发动机滚动轴承-双转子系统动态特性分析

在滚动轴承动力学和转子动力学分析基础上,建立了含滚动轴承动力学与转子动力学耦合以及高、低压转子间耦合的滚动轴承-双转子系统动力学方程,采用精细积分法和预估-校正Adams-Bashforth-Moulton多步法相结合的算法,对航空发动机滚动轴承-双转子系统非线性动力学方程进行求解,并对滚动轴承结构参数与转子动态特性的关系进行了理论分析.分析结果表明:①中介轴承径向游隙较小时转子系统振动量较小且转子运行较平稳,但中介轴承保持架打滑率会有所提高,应合理选取中介轴承的径向游隙值;中介轴承滚子数量对转子运转稳定性有较大影响,减小中介轴承滚子数量可降低保持架打滑率,但转子系统的振动量会增大;②支承轴承内、外沟曲率半径系数及径向游隙较小时转子系统的振动量较小,转子运转较稳定;支承轴承滚动体数量对转子运转稳定性有较大影响,滚动体数量增多有利于转子系统运行的平稳性.      

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。     

小型涡扇发动机低压转子临界转速随支承刚度和悬臂长度的变化规律研究

针对支承刚度和悬臂长度对小型涡扇发动机低压转子前三阶临界转速的影响规律开展研究,为低压转子的临界转速设计和调整提供理论依据。建立了低压转子的有限元分析模型,运用转子动力学分析软件SAMCEF/RO-TOR,计算了低压转子在基准支承刚度下的前三阶临界转速和振型。改变支承刚度和悬臂长度,对低压转子前三阶临界转速进行了系统的计算和分析,揭示了低压转子前三阶临界转速随支承刚度和悬臂长度的变化规律。     

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.      

耦合对风扇、压气机畸变传递特性的影响

本文从下游部件对具有畸变流动的压气机性能的影响机理出发, 着重分析了由于高压压气机的存在对具有进口压力畸变的风扇出口畸变强度的影响。采用一种新的快速收敛方法, 结合某型号发动机对耦合的影响进行了定量计算。      

某型涡扇发动机进气总压畸变的试验研究

由可移动插板式畸变发生器产生进气总压畸变流场,以综合畸变指数评定流场畸变程度,分析了进气总压畸变对涡扇发动机气动稳定性的影响,得到了稳态总压场不均匀度与总压紊流度随插板深度及发动机转速的变化关系,确定了该型发动机的最大（或临界）综合畸变指数和总压畸变敏感系数。     

进气畸变对涡扇发动机稳定性及性能影响

为评估进气畸变对涡扇发动机稳定性和性能的影响,发展了一种二维的计算方法,采用非定常、二维、无黏的积分型欧拉方程,沿发动机轴向、周向划分计算单元,通过时间推进法进行求解.某双轴混排涡扇发动机的分析结果表明:该方法可以获得进气畸变在发动机流道中的传递曲线,评估风扇、高压压气机等部件对畸变的衰减作用;通过对工作包线上典型工况点的分析,可判断各点抗总压、总温畸变的能力,确定受畸变影响较大的危险点;在给定的稳态总压畸变条件下,发动机推力下降、耗油率上升,其最大变化值为10.5％和11.7％.     

进气总压总温畸变对压气机稳定性的影响

本文对 Melick提出的进口总压周向稳态畸变对压气机稳定性裕度损失的估算方法作了改进 ,并加以推广应用于进口总温周向稳态畸变的情况。在此基础上 ,本文提出了总温和总压组合畸变下压气机稳定性裕度损失的预测方法。以某型双轴涡喷发动机为例作了某些具体的计算。     

Coupling behavior between adhesive and abrasive wear mechanism of aero-hydraulic spool valves

Leakage due to wear is one of the main failure modes of aero-hydraulic spool valves. This paper established a practical coupling wear model for aero-hydraulic spool valves based on dynamic system modelling theory. Firstly, the experiment for wear mechanism verification proved that adhesive wear and abrasive wear did coexist during the working process of spool valves. Sec-ondly coupling behavior of each wear mechanism was characterized by analyzing actual time-variation of model parameters during wear evolution process. Meanwhile, Archard model and three-body abrasive wear model were utilized for adhesive wear and abrasive wear, respectively. Furthermore, their coupling wear model was established by calculating the actual wear volume. Finally, from the result of formal test, all the required parameters for our model were obtained. The relative error between model prediction and data of pre-test was also presented to verify the accuracy of model, which demonstrated that our model was useful for providing accurate prediction of spool valve’s wear life.     

考虑气穴影响的2D压力伺服阀稳定性

为研究双自由度（2D）压力伺服阀工作时的气穴现象对阀芯稳定性的影响，利用AMESim中的基本库和HCD库建立2D压力伺服阀各组件仿真模型。理论分析得出气穴现象会降低阀体中含气油液的有效体积弹性模量，得出考虑气穴影响的阀芯稳定性条件。仿真结果表明气穴现象会导致主阀芯到达稳定位置后出现振荡现象，影响主阀芯的穿越频率从21 Hz降低至6 Hz，限制主阀芯的频宽，适当增加主阀芯阻尼比能提高主阀芯工作稳定性。提出一种新型阻尼活塞结构，建立模型分析得出其能在不影响伺服阀频响、阀芯位移和抗污染能力情况下提高主阀芯阻尼比以提高阀芯工作稳定性，并且设计实验进行验证。实验结果表明，应用阻尼活塞将2D压力伺服阀压力输出波动从9%降低至2%，能够提高飞行器制动时刹车阀工作稳定性。     

某型发动机对畸变进气响应的流动耦合分析

建立了畸变进气下某型双轴发动机高压压气机，扩压器间流动耦合模型，完善了畸变进气对发动机稳定性影响模拟方法。数值模拟结果表明，考虑耦合影响给出的高压压气机出口静压畸变与其总压畸变不仅相位相反，而且随进口总压畸变强度变化而变化。据此所给出的高、低压压气机畸变响应和发动机推力响应特性也与进气道，发动机相容性理论相符合。     

航空减压器输出特性回归分析及参数优化

为研究某型航空双级气体减压器设计参数对输出特性的影响规律,建立减压器AMESim模型并与测试结果对比验证;采用响应面法获得减压器设计参数与输出特性的二次回归模型,分析减压器设计参数的影响;利用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对二次回归模型进行优化,得到最优设计参数。响应面结果显示:反馈孔面积是影响输出压力超调量的关键因素,与阀芯密封处动泄漏面积的交互作用对超调量影响显著;阀芯质量是影响输出压力脉动强度的关键因素,与弹簧刚度、膜片刚度的交互作用对脉动强度影响显著。优化结果表明:减压器二级结构的阀芯质量、反馈孔面积、主弹簧刚度、副弹簧刚度、阀芯密封处动泄漏面积和膜片刚度分别为52.26 g、9.06 mm2、67.27 N/mm、10.68 N/mm、0.64 mm2和89.49 N/mm时输出特性达到最优,优化后输出压力超调量降低了28.72%,脉动强度降低了40.63%。      

外激振动条件下气体减压器工作稳定性仿真研究

为研究运载火箭增压系统中减压器在外激振动条件下的工作稳定性,在减压器模型中通过壳体位移坐标引入振动激励源,建立了可模拟减压器在外激振动条件下工作过程的计算模型,对外激随机振动条件下增压系统动态工作过程进行了仿真.针对仿真发现的减压器下游压力振荡的不稳定现象,对减压器下游不同管路尺寸和减压器不同参数下的系统工作过程进行了对比计算.计算结果显示:增大减压器下游管路尺寸，减小减压器阀芯组件质量与减小阀芯组件与壳体间滑动摩擦力,都可以使压力振荡过程减弱,有利于改善减压器在外激振动过程下的工作稳定性.计算结果为减压器及增压系统的设计和优化提供了参考.      

周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级模拟研究

基于多级轴流压气机的逐级特性,建立了进口周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级计算模型.对总压畸变条件下转子叶片攻角变化、级间周向流动和压气机出口耦合效应进行了数值分析,讨论了周向稳态总压畸变沿轴向衰减、级间周向侧流变化、失稳首发级和压气机出口耦合效应对压气机特性的影响.应用本模型方法对8级轴流压气机进行了详细的数值分析,计算结果表明,该模型方法是合理、可行的.