航空发动机主轴承设计

本文总结了航空发动机主轴承设计要求和设计程序,并以双半内圈角接触球轴承为例说明轴承初步设计的方法。     

基于混合有限元模型的航空发动机主轴承剥落故障仿真分析方法

高保真的整机实体有限元模型可以逼真地反映航空发动机整机振动特性,但是难以考虑复杂的滚动轴承故障动力学模 型,且其计算量太大,不能胜任主轴承故障激励下的整机非线性动力学仿真。为了有效地进行发动机主轴承的故障诊断,开展了 主轴承剥落故障激励下的整机振动响应机理研究,提出了一种基于整机实体有限元模型和整机梁单元有限元模型的主轴承故障 动力学混合仿真分析方法。利用整机梁单元模型仿真分析得到主轴承故障激励下与机匣相连接的主轴承支反力,在整机实体有 限元模型中去除转子实体有限元模型,将支反力直接施加到各支承处的轴承座上,利用瞬态响应分析方法获取主轴承故障激励下 的整机振动响应,并利用整机梁单元模型进行了方法验证。结果表明：利用混合有限元仿真方法获取了航空发动机主轴承故障激 励下的仿真信号,误差均不超过1%,表明了所提出方法的正确有效性。     

航空发动机主轴承使用状态寿命预测模型

在滚动轴承寿命预测模型分析的基础上,提出了航空发动机主轴承状态寿命的概念,即把主轴承的使用寿命周期划分为状态良好、初步损伤、故障发展和即将失效4个寿命阶段;建立了1种利用机载传感器信息(转速、振动和飞行器机动),来确定航空发动机主轴承使用状态寿命的模型,该模型把状态监控数据和基于理论模型分析计算的方法相结合,为评估主轴承的寿命状态提供了1种新的方法.     

航空发动机主轴承热分析边界条件处理方法

为了提高航空发动机主推力球轴承热分析的计算精度,对轴承的摩擦发热和对流换热边界条件进行了分类及研究。应用ANSYS有限元分析软件,采用将摩擦热按体积生热率处理和将摩擦热按热流密度处理的2种不同方式,对边界条件进行了加载,分别对试验器状态的发动机主轴承进行了热分析计算,并与试验测量结果进行了对比。计算结果表明:采用表面效应单元加载热流密度的方式得到的轴承温度分布更理想,内部热点温度更集中,热点温度比按体积生热率加载的高。2种边界条件处理方法均已应用到航空发动机润滑系统热分析中,提高了航空发动机润滑系统热分析的准确性。     

航空发动机轴承腔热分析计算

轴承腔热分析计算的目的是确定轴承腔的热负荷和温度分布。采用二维轴对称稳态导热的有限元程序,对某型发动机中轴承腔进行了热分析计算。程序功能比较齐全,使用方便。可从AUTOCAD直接输入图形数据,用ALGOR工程软件分网译码进行前处理,用ANSYS工程软件进行后处理。选用相关经验公式计算摩擦热及换热系数。实例计算结果表明程序计算结果合理,精度满足工程要求。      

航空发动机主轴轴承寿命确定方法的研究

现代燃气涡轮发动机主轴轴承的寿命评估,仍以经典的次表面疲劳理论为准则。使用中的失效形式已不是疲劳剥落,大多是起始于表面损伤一类的故障。在这种情况下,如何科学地确定主轴轴承寿命就是个难度很大的技术问题。通过区别寿命、可靠性和失效的一些概念,明确了该如何合理地提出各项技术指标。给出了确定使用寿命的试验种类、方法和子样数。为我国航空发动机主轴轴承定寿方法提供了理论依据。     

航空发动机主轴轴承保持架疲劳断裂机理

以WP6发动机轴承为例,对航空发动机主轴轴承保持架疲劳断裂的机理进行了分析探讨。分析认为,保持架能否产生疲劳断裂主要取决于钢球和兜孔之间碰撞力的大小,而碰撞力的大小又主要与角速度变化量有关,最后提出了预防措施。     

可视化航空发动机性能仿真模型

介绍了一种图形化的发动机总体性能仿真模型.该模型可以通过模块化的图形方式,由用户选择发动机部件,自由灵活地组装任意合理结构形式的航空发动机,方便地进行航空发动机稳态与过渡态性能的计算.对该仿真模型的编程思想和编程方法做了具体介绍,并通过对具体发动机进行试计算证明通用模型计算逻辑的正确性以及可视化图形界面的实用性.      

电磁轴承仿真

以MATLAB语言为工具,在系统状态方程的基础上,对电磁轴承系统进行仿真,了解系统本质,总结规律,为该系统早日在航空发动机上的应用提供理论指导。     

航空发动机轴承腔热状态分析模型及温度场计算

分析了轴承腔的主要热源。建立了轴承及石墨密封摩擦热的计算模型、密封热泄漏量的计算模型、对流换热系数的计算模型及温度场的计算模型。用热网络法建立了轴承腔的热平衡方程组,并采用拟牛顿法求解了该方程组。获得了10种不同工况下的温度场计算结果,该结果与本文的测试结果基本吻合。      

航空发动机轴承腔内油气两相分布数值计算

主轴承腔是航空发动机润滑系统油气两相流的重要区域,了解滑油及密封空气在腔内的分布预测对于认知腔内两相流动具有重要的意义。利用VOF数值计算模型对某航空发动机轴承腔简化模型内油气两相流进行了数值计算,定义无量纲数β^＋用来分析腔内两相分布。计算结果与现有实验数据符合良好。给出了滑油在腔内的相界面分布,描述了腔内的油膜分布及运动,并且分析了无量纲数β＋在腔内周向分布及出口处随着转速及滑油进口流量的变化规律。     

节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算方法

为解决节流通风的航空发动机轴承腔的腔压难以计算的问题,考虑节流孔处通风介质可压缩性,结合某典型节流通风轴承腔的实例,分析了节流通风的发动机轴承腔通风气体流动的特点,提出了其腔压计算方法.通过实例计算,结果表明:计算值与试验值的绝对误差较小,结果满足滑油系统与空气系统联合计算的工程需要.该计算方法可为节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算提供参考.      

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.      

航空发动机中介轴承的特性分析

针对内外圈同向旋转和内外圈反向旋转的两种航空发动机圆柱滚子中介轴承, 应用拟静力学法对其进行了分析, 讨论了它们的保持架转速与滚子自转转速随径向载荷变化的规律, 并且比较了二者在各自的工作方式下的工作特性.由特性对比可知, 在内外圈反向旋转, 内圈转速大于外圈转速的工作方式下, 中介轴承具有较低的打滑率, 较高的疲劳寿命, 并且有利于密封和转子的振动稳定性;在内外圈同向旋转, 内圈转速小于外圈转速的工作方式下, 中介轴承受载区滚子自转转速较低, 有利于提高滚子的使用寿命.      

航空发动机中介轴承的故障特征与诊断方法

提出了转差域频谱和转差域包络谱的概念,建立了诊断航空发动机中介轴承故障的方法.利用发动机高、低压转差作为触发信号,对发动机振动信号进行等转差周期采集,并在转差域对振动信号进行频谱和包络谱分析.结果表明:不平衡响应、不对中响应以及外环静止的轴承故障响应等振动信号在转差域频谱和转差域包络谱上的位置随转速变化;而中介轴承的故障响应在转差域频谱上的边频成分间距不随转速变化,具有倍频“恒间距”特征;在转差域包络谱上的位置也不随转速变化,具有“恒频”特征.带外环故障的中介轴承实验表明:转速变化时,在转差域包络谱中,外环故障特征倍频成分位置不变;在转差域频谱中,出现间隔宽度恒定为外环故障特征倍频的频率成分.      

带有支承不同心转子系统的动力响应

通过对转子结构和动力学特性的分析,利用Lagrange能量法建立了适应航空发动机柔性转子系统在不同心和不平衡激励作用下的动力学模型,揭示了转子振动响应中非线性振动特征的产生机理和影响因素.数值仿真结果表明:由于支承不同心量和不平衡力的共同作用,转子及其连接结构会发生复杂的非线性动力学变化,使转子系统振动响应呈现出非线性特征,包含1倍和2倍频分量,响应的幅值和频谱特征与不同心量和不平衡量的分布密切相关.      

联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性演变规律

基于滚动体与套圈之间相互作用与相对位置关系,考虑离心力、陀螺力矩等非线性因素影响,建立了精密角接触球轴承五自由度拟静力学分析模型,并基于逐步搜索法原理对轴承刚度计算模型进行优化,揭示了复杂联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性的演变规律。研究表明:轴向载荷在一定程度上减小轴承内外圈接触角差值,削弱由于转速增大引起的刚度软化现象;力矩载荷与径向载荷单独作用时,均导致轴承接触角、接触力波动幅度增大,沿载荷作用方向轴承刚度增大,垂直于载荷作用方向刚度减小;联合载荷作用下,力矩载荷能够抑制径向载荷引起的轴承内部载荷波动,提高轴承承载能力与使用寿命。      

基于拟动力学的航空发动机主轴球轴承热弹流润滑分析

以航空发动机主轴球轴承高速高温重载典型工况为算例,基于轴承拟动力学分析,得到滚动体与套圈之间的微接触区运动和受力状态,分别用Hamrock-Dowson(H-D)拟合公式和翟文杰热修正公式计算了最小膜厚(MFT),同时结合热弹流润滑分析得到最小膜厚分布,对比了试验测试、H-D拟合、翟文杰热修正和热弹流润滑分析4种算法的最小膜厚,并根据膜厚比判定了轴承的弹流润滑状态.结果表明:H-D拟合和翟文杰热修正最小膜厚与试验测试结果相差较远,热弹流润滑分析结果与试验数据吻合性较好,误差10%以内;探讨了不同工况下的轴承弹流润滑性能.结果表明:存在径向载荷时,润滑膜整体压力增大,膜厚减小;随着转速增大,压力减小,膜厚增大,但是增大的趋势减缓.      

航空发动机参数不确定模型辨识方法

针对航空发动机线性模型在工况点附近使用范围较小的问题,提出一种航空发动机不确定性模型辨识方法。该方法使用非线性规划处理航空发动机模型辨识问题,求解过程考虑线性模型中矩阵参数不确定性的影响,以期获得一个具有适用范围大、形式简单的航空发动机模型。使用该方法对DGEN380发动机在某一稳态点进行辨识,定义实际工况偏差参数和模型最大偏差参数分析DGEN380发动机参数不确定模型的误差范围。使用实验数据与参数不确定模型仿真结果进行比较,结果表明油门杆角度变化小于22%时,参数不确定模型与实际发动机状态的偏差量较小,能够在1%误差范围内模拟实际发动机状态。