航空发动机整机结构效率评估参数与计算方法

根据航空发动机整机结构系统功能和设计要求,对整机结构效率内涵进行了详细阐述,基于整机载荷特征,建立了从抗变形能力和力学环境适应能力两方面对整机进行结构效率评估的参数体系.通过对转静间隙变化量、应变能分布系数、敏感度系数等评估参数归一化方法及结构效率系数运算法则的建立,明确了结构效率的分析流程.以某小涵道比涡扇发动机为对象进行结构效率评估,详细给出了结构效率的计算过程.针对该小涵道比涡扇发动机的另一种结构方案2,基于结构效率评估方法进行评估并与原结构方案进行了对比分析,结果表明:原结构方案在抗变形能力和力学环境适应能力两方面均优于结构方案2,结构效率系数比结构方案2高出0.11,初步验证了结构效率评估方法的工程实用性.      

航空发动机承力系统抗变形能力评估

针对航空发动机承力系统的结构和力学特征,基于安全性设计要求,建立了整机承力系统抗变形能力的评估方法,分别从结构固有抗变形能力、稳态载荷下的抗变形能力以及瞬态冲击载荷下的抗变形能力3方面提出了当量刚度、间隙匹配系数、冲击放大系数3个评估参数.以典型高涵道比涡扇发动机承力系统为对象进行了抗变形能力评估.结果表明:以截面的等效刚度和承力系统最大等效刚度的比值作为结构当量刚度,以稳态载荷下整机系统各个截面的最小间隙与 最大间隙的比值作为间隙匹配系数和以瞬态冲击载荷与各个支点及安装节上支反力的最大峰值载荷的比值作为冲击放大系数,这3个参数均能较好地反映出整机承力结构的危险位置和极限载荷下的响应特征.最终的评估结果可以为承力系统结构方案设计和优化提供参考.      

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。     

转子连接结构力学特性稳健设计

针对航空发动机转子结构具有质量/刚度分布不均匀、界面连接和承受大弯曲载荷等结构力学特性,分析了转子连接结构力学特性与界面接触状态之间的关联性,提出适用于工程设计的连接界面滑移和摩擦-疲劳损伤程度的界面接触状态、应变能和摩擦功等定量评估参数。建立了基于连接界面变形协调和转子应变能分布控制的转子连接结构力学特性稳健设计方法。结果表明:通过对转子结构几何特征参数进行优化,提高了连接界面在离心载荷作用下的变形协调性,改善了在工作载荷下转子弯曲应变能分布,可以减少连接界面摩擦-疲劳损伤,从而降低连接结构力学特性对载荷环境的敏感度,保证转子结构力学特性稳健。以高速转子系统中连接结构为例,通过仿真计算验证了带有界面连接的转子连接结构力学特性稳健设计的有效性。     

航空发动机承力系统结构效率评估方法

针对航空发动机承力系统结构与力学特征,结合承力系统结构功能和设计要求,提出了承力系统的结构效率评估方法.通过应力分布系数、等效比刚度、刚度温度敏感度、振动位移传递系数等参数来评估结构的承载能力、抗变形能力、力学环境适应能力.以涡桨发动机涡轮级间承力框架的两种结构设计方案为对象,进行了结构效率的评估.结果表明:方案A结构效率比方案B高 39.6%,所选各结构效率评估参数均位于合理水平,能够定量反映出两方案的结构设计特点与优劣所在,验证了该评估方法的有效性.      

航空发动机高速滚珠轴承力学特性分析与研究

滚动轴承是航空发动机转子系统广泛使用的一种支承,其结构和力学特性对转子系统的动力特性有重要的影响,尤其是高速下更为显著。研究高速滚动轴承的力学特性具有十分重要的意义。本文利用拟动力学法,同时考虑径向负荷、轴向负荷、自身离心力以及陀螺力矩作用的影响,建立了高速滚珠轴承载荷分布的分析模型。研究了不同结构参数和载荷参数对滚珠轴承力学特性的影响,得到了滚珠轴承接触角、变形以及接触刚度的变化规律。最后,通过实验进行了验证。      

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。      

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。      

涡轮转子无螺栓挡板过渡态热固耦合响应分析

采用有限元方法间接耦合方式分析航空发动机涡轮转子过渡态热和变形响应,获取无螺栓挡板过渡态热与机械载荷共同作用下涡轮转子的温度场、变形和应力历程。结果表明,过渡态下的无螺栓挡板与涡轮盘径向配合面受力及挡板自身应力分布均与稳态下的差异明显,且过渡态无螺栓挡板应力峰值大于所有稳态值。为保证涡轮转子无螺栓挡板过渡态下工作安全可靠,应关注其过渡态响应特性。此结论可为航空发动机涡轮转子无螺栓挡板过渡态响应分析与无螺栓挡板设计提供工程参考。     

高压压气机径向间隙分析

针对航空发动机高压压气机,综合考虑气动载荷、离心力载荷、温度载荷耦合作用,建立了压气机径向间隙分析模型,获得了3个典型工况下的流场特征以及叶片的变形、应力分布,高压压气机转子叶尖径向间隙沿轴向变化的分布规律以及轴流压气机转子与机匣的间隙范围.计算结果显示在设计点和转速最高点,斜流压气机转子叶尖与机匣发生碰磨,与试验结果一致,验证了计算方法的正确性,也为建立合理有效的压气机径向间隙分析方法提供了思路.     

整机结构设计的评估方法——结构效率

从整机动力学的角度,提出一种量化各种结构改进设计对整机性能收益的评估方法——结构效率,其内涵应当包括发动机质量有效承载项,模态参与项以及变形量协调项,并建立初步分析方法.通过某转子/支承系统的结构优化算例,指出了结构效率在整机结构设计中的优越性,并对结构概率的进一步研究前景和研究重点进行了论述.      

Applications of structural efficiency assessment method on structural-mechanical characteristics integrated design in aero-engines

In the design process of advanced aero-engines, it is necessary to carry out an effective analysis method between structural features and mechanical characteristics for a better structural optimization. Based on the structural composition and functions of aero-engines, the concept and contents of structural efficiency can reflect the relation between structural features and mechanical characteristics. In order to achieve the integrated design of structural and mechanical characteristics, one quantitative analysis method called Structural Efficiency Assessment Method (SEAM) was put forward. The structural efficiency coefficient was obtained by synthesizing the parameters to quantitatively evaluate the aero-engine structure design level. Parameterization method to evaluate structural design quality was realized. After analyzing the structural features of an actual dual-rotor system in typical high bypass ratio turbofan engines, the mechanical characteristics and structural efficiency coefficient were calculated. Structural efficiency coefficient of high-pressure rotor (0.43) is higher than that of low-pressure rotor (0.29), which directly shows the performance of the former is better, there is room for improvement in structural design of the low-pressure rotor. Thus the direction of structural optimization was pointed out. The applications of SEAM shows that the method is operational and effective in the evaluation and improvement of structural design.     

整机结构设计的新评估方法—结构效率

开展整机动力学的研究工作,是保证在役发动机安全使用和在研发动机成功设计的迫切需要。本文从整机动力学的角度,提出一种量化各种结构设计对整机性能收益的评估方法—结构效率,进一步揭示其内涵,建立初步分析方法。通过某转子/支承系统的结构优化算例,指出了结构效率在整机结构设计中的优越性,并对结构概率的进一步研究前景和研究重点进行了论述。     

全转速系数矩阵降维重构的燃机不平衡量逆推方法

整机动平衡可大幅提高燃气涡轮发动机动平衡效率，但由于全转速范围内整机系统动力特性复杂，且结构的特殊性仅能够在机匣外表面测振，传统动平衡方法难以实现整机动平衡。为此，考虑全转速区间整机系统结构振动特性及分布式不平衡量的影响，通过仿真或试验获得全转速范围内各测点振动响应与各叶盘不平衡量间的响应系数矩阵，建立等效不平衡量逆推方程组。依据不平衡位置-转速-测点振动间的敏感性关系对全转速系数矩阵进行降维重构，获得优选配平位置、测点及转速的重构方程组，求得转子配平位置的等效不平衡量。典型双转子燃气涡轮发动机整机系统数值仿真结果验证了该方法的有效性。研究结果对实现燃气涡轮发动机整机动平衡具有一定的参考应用价值。     

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。      

轴颈倾斜微型气体轴承的热流体动力润滑分析

基于能量守恒原理推导计入气体稀薄效应的修正能量方程及其有限差分表达式,并通过偏导数法和有限差分法联立求解修正Reynolds方程、修正能量方程、气体黏温关系和气膜厚度方程,详细研究了微型气体轴承静动态性能随结构参数、轴颈倾斜方位角和黏温热效应的变化规律。结果表明:气膜热效应提高了微型气体轴承的承载能力、摩擦因数和动态刚度系数,而降低了直接阻尼系数,轴颈倾斜误差对微型气体轴承的静、动态性能均产生不利影响,计算结果可为提高微型气体动压轴承?转子系统的稳定性提供重要理论依据。