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。     

航空发动机叶片丢失问题研究综述

对近年来航空发动机叶片丢失问题的研究进展进行了综述.简述了叶片丢失过程相关的力学问题,重点探讨了叶片丢失激励下转子和整机结构系统的瞬态动力特性以及持续生存能力方面的力学机理、数值仿真和试验研究成果,包括叶片丢失过程中的载荷及力学行为、整机动力学建模和求解技术、整机和机理性的试验研究等.研究表明:对于恶劣载荷环境下复杂结构系统,需要以整机系统为研究对象并考虑载荷时效特征,通过结构和动力学安全性设计策略提升结构完整性和可靠性.      

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。      

突加不平衡激励下高速柔性转子系统振动特性试验

针对航空发动机高速柔性转子系统叶片丢失所造成的突加不平衡激励,基于结构/力学特征等效原则,建立高速柔性悬臂转子系统试验器,对突加不平衡及持续碰摩所产生的附加激励下转子系统振动响应进行试验测试,并对其时域/频域响应特征进行分析。结果表明:突加不平衡瞬时具有显著冲击效应,转子系统瞬态振动响应加剧,并激起转子横向模态振动;转静件之间的持续碰摩会产生约束作用使转子系统临界转速提高,呈现非线性振动,产生谐波振动频率成分。      

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。      

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。     

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.      

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。     

航空发动机整机振动问题研究方法及工程应用

针对航空发动机整机振动特征溯源困难的现状,以某型发动机典型振动突变特征溯源研究为例,提出了一种基于整机及部件动力学试验手段的振动特征溯源研究方法。该方法首先通过整机及部件动力学试验测试手段揭示发动机动力学特性和典型现象深层特征,然后通过综合剖析方法溯源振动特征的动力学原因及结构原因。通过发动机全静子机匣支承动刚度和整机模态特性试验研究,获取了静子支承动刚度特性与整机模态特性。通过发动机转子全转速下动特性与转子模态试验研究,揭示了转子在离心载荷作用下的不平衡激励和弹性线变化规律,以及转子连接界面在不同力学参数下的模态特性。通过整机工作条件下的转子轴承座全息测振和基于发动机叶尖间隙的转子全息测振试验研究,揭示了发动机典型振动特征的瞬变特征、支点工作振型、转子涡动及初相点等特征的变化规律。经综合研判,得到了该发动机振动突变特征的原因是转子连接界面变化所引发的转子不平衡激励状态突变的结论。基于该机理开展了转子本机平衡技术研究,有效地抑制了多台发动机的振动突变特征,进一步表明该溯源方法的正确性。     

倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科优化设计研究

采用了多学科设计优化方法, 根据涡流理论建立了倾转旋翼桨叶空气动力学分析模型, 利用CATIA, ANSYS和ADAMS等软件分析倾转旋翼桨叶结构动力学特性, 采用iSIGHT多学科设计优化软件集成空气动力学和结构动力学分析模型, 建立起倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化系统, 进行多学科设计优化研究.并以倾转旋翼机XV-15的桨叶为算例, 进行设计优化, 结果表明提出的倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化方法是可行和有效的.      

垂直着陆中直升机旋翼动力学行为研究

提出了直升机垂直着陆撞击激起旋翼扰动的动力学模型,为预估粗暴着陆时起落架载荷和旋翼液压阻尼器轴向速度幅值给出了一种数值模拟方法。以弹性轴承旋翼直升机为例,对垂直着陆时直升机机体、起落架、旋翼桨叶及阻尼器的动力响应进行了数值模拟,分析了着陆撞击引起机体和旋翼扰动的力学机理,可知在起落架触地后的第1个振荡周期中,各片桨叶将经历其不同的摆振幅值,并激起旋翼摆振后退型响应。着陆撞击引起桨叶的大扰动,将冲开阻尼器的定压安全活门,严重降低其等效阻尼。随机着陆时,起落架触地速度及过载系数、旋翼挥舞及摆振幅度和阻尼器速度峰值等动态参数由于着陆时机体的姿态角及角速度不同呈现很大的分散性,其分散性与着陆高度有关。     

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。     

动叶周向前弯对附面层的影响

本文利用计及旋转和曲率、沿弦长压力梯度影响的三维附面层积分方法, 对前弯动叶片和直动叶片在变工况下的气动性能进行了模拟、比较和分析。得出了叶片周向前弯后, 叶顶部分的附面层减薄, 二次流损失减小的结论, 与实验结果吻合; 验证了前弯叶片相对直叶片提高效率、扩大稳定工作范围的实验结果。      

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。      

基于小位移旋量的旋翼系统公差建模及分析

直升机的振动问题与加工制造技术紧密相关,降低制造误差可有效减小直升机的振动。为了分析直升机旋翼系统的几何回转精度,基于小位移旋量对零部件装配路径上的关键公差进行建模,通过齐次坐标变换方法对闭环链路上的误差传递进行分析,得到旋翼系统几何回转精度模型;在此基础上,与蒙特卡洛仿真相结合,对旋翼系统的实例模型进行分析。结果表明：旋翼桨叶根部在空间内的变动范围近似呈椭球形变化,在旋转过程中存在复杂的波动情况,桨叶根部在桨盘平面内的径向波动误差约为 0.58%,在垂直桨盘平面方向的波动相对较大,约为 0.89%。     

前弯动叶片变工况性能的估计方法

在低速轴流风机中, 前弯动叶和常规径向直叶片比较, 具有提高效率 4～5%,增加变工况范围 15～ 20%的优良性能。本文在发展完善“双激盘”理论模型的基础上, 采用平板圆弧叶型实验数据, 加入了攻角损失的计算, 并将其用于前弯动叶片设计工况以及变工况的性能估计。在设计工况下和实验结果比较, 沿叶高效率的最大误差为 1.5%,沿叶高总压的最大误差为 1.8%,两参数沿叶高的流量平均误差分别为 1%和 1 .5%。在稳定工况范围内按流量平均计算的效率误差和总压误差均在 2%以内。计算结果表明, 该法可用于估计变工况下弯掠动叶片的性能, 是一种简单、明了、适合工程需求的方法。