叶片飞失转子动力特性及支承结构安全性设计

针对航空发动机在叶片飞失极限载荷下的支点载荷控制问题,建立综合考虑冲击、惯性非对称、减速过临界等多种力学过程的支点动载荷响应分析方法;提出针对止推支点的缓冲阻尼支承结构安全性设计,该结构可以通过控制支承结构的刚度、阻尼参数,调整转子系统动力特性,降低转子临界转速。通过支点动载荷响应分析方法定量评估缓冲阻尼结构对降低支点动载荷的有效性。通过试验证明转子系统在冲击-减速过程中对支点载荷的影响因素。结果表明:叶片飞失所产生的冲击作用和减速过临界过程是威胁支承结构承载能力的主要因素。采用缓冲阻尼支承结构能够使叶片飞失下转子系统的支点动载荷降低至20%,是一种有效的支承结构安全性设计。     

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。     

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。     

叶片脱落诱发的转子- 盘片系统不平衡响应分析

为了厘清叶片脱落诱发的失衡载荷及瞬时冲击对航空发动机转子系统动特性的影响,以转子- 盘片系统为研究对象, 考虑弹性支承的影响,基于ANSYS/LS-DYNA 软件建立系统的有限元模型,模拟叶片脱落对转子- 盘片系统振动响应的影响,分析转 子转速、不平衡量、盘偏置量及支承刚度对系统不平衡振动响应的影响规律。结果表明：轴承支承总反力的变化趋势与系统不平衡 量的变化趋势相同;盘片结构越靠近轴承支承端,轴承支承总反力越小;刚性支承（≥107 N/m）下轴承支承总反力较柔性支承（<107 N/m）下的偏大。该研究可为转子- 盘片系统的结构设计提供参考。     

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.      

突加基础冲击激励下转子系统振动特性试验

针对着舰过程中航空发动机转子系统受到的突加基础冲击激励的问题，基于典型小涵道比涡扇发动机结构特征相似原则设计转子-支承-机匣系统试验器，对突加基础冲击激励下转子系统振动特性进行试验研究。结果表明：突加基础冲击激励瞬时具有显著的冲击效应，转子系统瞬态振动响应加剧并激起转子的正反进动和横向振动模态。转子系统轮盘处振幅比随基础冲击速度的增加而非线性增长，突加纵向基础冲击激励比突加横向基础冲击激励更能影响转子系统的振动特性。     

航空发动机转子系统模拟支承设计与刚度计算

为了进行实际航空发动机转子系统组装状态下的模态试验,模拟实际航空发动机转子支承刚度,设计了转子支承结构,在CATIA软件中建立了支承的三维实体模型,将三维模型导入ANSYS Workbench中,采用自动生成网格,考虑到不同的网格划分大小对结果的影响,对支承的不同结构划分了不同大小的网格。为了精确计算支承刚度,对轴承座采用空心轴内表面上加面力、空心轴外表面上加轴承载荷、轴承外圈内表面上加轴承载荷三种施加载荷方式,并进行了计算结果比较,结果表明,支承设计满足了实际航空发动机的转子支承刚度需求,转子支承刚度的计算方法正确可靠。     

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。      

三支点柔性转子系统支承不同心激励特征及振动响应分析

针对航空发动机三支点柔性转子系统的支承不同心问题,充分考虑转子结构特征和载荷特征,首次将当量刚度引入多支点柔性转子不同心问题的动力学分析,定量描述转子系统各支承间不同心度带来的转子轴段刚度非线性,并提出了多跨度柔性转子系统支承不同心激励的数学描述,建立了不同心激励下多跨度柔性转子系统的力学模型。基于Lagrange能量法,给出了转子系统动力学方程的求解方法,研究得到了支承不同心转子系统的动力响应特征。结果表明:支承不同心不仅引起转子过渡轴的刚度非线性,产生2倍频激励,还会给转子系统带来附加不平衡激励;对于三支点柔性转子系统而言,2倍频分量同样是支承不同心下转子系统振动响应的典型特征之一。转子系统2倍频分量随不同心量的增加而迅速增加,而1倍频分量基本保持不变。同时转子振动响应呈现"缓增速降"趋势,且随非线性刚度、不平衡量的增大愈加明显。     

燃料分级对旋流火焰的动态特性影响研究

为深入研究分级旋流火焰特性,以分级旋流模型燃烧室为研究对象,对四个不同燃料分级比(Rf)条件下的分级旋流火焰进行了数值研究,在时均燃烧场特性分析的基础上进一步对燃料分级比为1和3两个工况进行了基于壁面建模的大涡模拟(WMLES)研究。结果表明:燃料分级比的改变会影响中心回流区(CRZ)的长度和宽度。燃烧室中截面的散点分布图能够显示出不同燃料分级比条件下的燃烧特征。燃料分级比为1时,燃烧室剪切层仅存在零散的涡破碎区;而燃料分级比为3时,伴随涡破碎区还出现了单螺旋分支进动涡核(PVC)。通过FFT变换获得的燃烧室内剪切层速度能谱主频与进动涡核的旋转频率相同,表明内剪切层速度脉动的产生与进动涡核有关。另外进动涡核会使流场内的燃料分布和燃烧模式发生周期性的变化,进而影响燃烧过程。调整燃料分级比在1附近,能够使分级火焰达到稳定燃烧降低排放的目标。     

Dynamic behavior of aero-engine rotor with fusing design suffering blade off

Fan blade off(FBO) from a running turbofan rotor will introduce sudden unbalance into the dynamical system,which will lead to the rub-impact,the asymmetry of rotor and a series of interesting dynamic behavior.The paper first presents a theoretical study on the response excited by sudden unbalance.The results reveal that the reaction force of the bearing located near the fan could always reach a very high value which may lead to the crush of ball,journal sticking,high stress on the other components and some other failures to endanger the safety of engine in FBO event.Therefore,the dynamic influence of a safety design named ‘‘fusing" is investigated by mechanism analysis.Meantime,an explicit FBO model is established to simulate the FBO event,and evaluate the effectiveness and potential dynamic influence of fusing design.The results show that the fusing design could reduce the vibration amplitude of rotor,the reaction force on most bearings and loads on mounts,but the sudden change of support stiffness induced by fusing could produce an impact effect which will couple with the influence of sudden unbalance.Therefore,the implementation of the design should be considered carefully with optimized parameters in actual aero-engine.     

共用支承-双转子系统振动耦合机理及响应特性

针对带有涡轮级间共用承力框架的双转子系统，采用机械阻抗理论定量描述结构质量/刚度分布特征，建立了复杂转子系统振动耦合机理模型，并提出了针对共用支承-双转子系统的振动耦合点确定方法，以及交互激励瞬态响应仿真方法。仿真结果表明：共用支承-双转子系统振动耦合的力学本质，是转子与支承结构振动交互作用下的动力响应耦合，既包括共用支承结构振动基础激励带来的振动耦合力学行为，又包括多转子交互激励下多频率组合的振动响应耦合力学行为。其中基础激励下耦合程度与支承机械阻抗及转子振型有关，转子间交互激励下耦合程度则受被激转子模态振型影响，被激转子刚体模态振型对基础振动敏感，在激励转子作用下更易产生转子交互激励下振动耦合。     

弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证

 弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ER)是本文提出的一种有别于传统挤压油膜阻尼器的新型无油润滑转子弹性支承阻尼结构,其支承刚度主要来源于弹性环和金属橡胶,并利用金属橡胶阻尼元件提供结构阻尼。该结构具有良好的线性支承刚度且对转子振动阻尼减振效果明显,其限幅凸台限制转子系统可能出现的过大振幅,保证系统安全可靠。本文对该种弹性阻尼支承结构进行结构和动力学设计,并通过刚度阻尼性能仿真计算以及相应的试验进行验证,结果表明:在准静态试验中,阻尼器的组合刚度在大变形范围内具有良好的线性特征且具有稳定的阻尼性能;在动态试验中,结构动刚度随激振频率的增加而减小,在宽频域内具有较大的阻尼系数。     

航空发动机转子系统结构效率评估参数及计算方法

根据航空发动机转子系统的结构特征和力学特征,提出了从结构的承载能力、抗变形能力和动力学环境适应能力3个方面进行结构效率评估的参数体系及其计算方法,并以典型小涵道比涡扇发动机转子系统为例进行了结构效率评估参数的计算分析.研究表明:平均应力系数、等效比刚度、极限惯性载荷作用下最大变形量、无量纲M-H因子和弯曲应变能系数等作为评估航空发动机转子系统结构效率的评估参数能够有效地反映各种载荷作用下结构形式和材料性能对应力水平、变形分布以及动力敏感度的影响.同时指出了该发动机转子系统现有结构设计的特点,以及进行结构优化的方向.      

脉冲爆震载荷作用下转子系统动力学特性

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)气动载荷具有周期性、非定常的特点,应用有限元法建立了PDTE转子系统动力学特性计算模型。在验证计算模型准确性的基础上,研究了周期性、非定常轴向力和扭矩对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:与传统燃气涡轮发动机相比,PDTE转子系统同时存在弯曲振动、轴向振动和扭转振动。脉冲爆震燃烧室的气动载荷会改变转子系统的弯曲刚度,但对气动载荷合理设计后,其对弯曲振动的影响较小。周期性、非定常轴向力引起转子系统轴向振动,且轴向振动特性主要受零频和1阶轴向共振频率处响应的影响。PDTE工作时滚珠轴承的轴向支反力会不断变向,在设计滚珠轴承时应予以考虑。周期性、非定常扭矩引起转子系统扭转振动,1阶扭转共振频率分量在扭转振动响应中占优。      

转子结构系统界面失效分析及稳健设计方法

针对结构非连续转子中连接界面接触状态变化引起界面力学特征改变,使转子系统动力特性不稳健的问题进行分析,并提出了一种界面接触状态的稳健设计方法。结果表明:该方法通过分析结构非连续转子系统中界面损伤失效的力学过程,对结构特征参数进行优化设计,降低界面力学特性对载荷环境的敏感度。以涡轮转子套齿连接为例进行优化设计得到,在加工装配误差所导致的应力极限情况下,最优解的接触应力水平更加远离应力约束边界,使带有连接界面的结构非连续转子系统的力学特性更加稳健,具有较好的工程应用价值。