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。     

带柔性过渡段悬臂动力涡轮转子动力学研究

针对涡轴发动机带柔性过渡段悬臂动力涡轮转子动力学开展了系统的计算分析和试验研究。建立了转子的有限元分析模型,对临界转速、振型和稳态不平衡响应进行了计算分析。在高速旋转试验器上开展了全转速范围内的动力特性和高速动平衡试验,以及慢车转速下5 min的振动考核试验,在整机台架上进行了发动机试车。验证了转子良好的振动特性以及轴向环下润滑设计和临界转速设计的合理性,提出了1号平衡凸台轴向位置的优化方案和试验转接段的改进方案。为发动机实现转速达标提供了强有力的保证,具有重要的工程应用价值。     

矩形薄板在不同边界条件下的固有振动分析

研究了在弹性支撑和弹性嵌固边界条件下,弹性矩形薄板固有振动特性的变化规律。利用单项梁函数组合法推导出矩形薄板在2种边界条件下的振型和固有频率的计算公式,应用此公式计算出弹簧系数的变化和薄板固有频率等特征的变化趋势,为分析实际悬臂板类结构振动的特征打下基础。     

防止和减少航空发动机热弯曲故障方法的研究

阐述了航空发动机转子产生热弯曲故障的机理,计算了热弯曲试验转子在改变支承刚度,缩短支承间距离,增大轴的外径,减小盘的悬臂距离等因素下的热弯曲响应,并提出了防止和减少航空发动机热弯曲故障的方法。     

三轴仿真转台结构静动态特性计算

建立了三轴仿真转台外框的结构分析模型,用结构有限元法对其进行了结构静动态特性分析,得出了外框架在实际载荷下的静态变形和低阶固有频率及相应振型。在此基础上,进行了转台的整机固有频率及相应振型分析计算。     

悬臂边界下纤维增强复合薄板固有频率计算及验证

采用理论与实际相结合的方式,对悬臂状态下纤维增强复合薄板的固有频率进行了计算及验证.首先,针对纤维增强复合薄板的结构特点,考虑了纤维方向的影响,对其进行了理论建模.然后,基于正交多项式法来表示振型函数,并通过Ritz法对该类型复合薄板的固有频率进行求解.最后,搭建了该类型复合薄板结构的固有特性测试系统,并以TC500碳纤维/树脂基复合薄板为例,对其固有频率进行了测试.验证结果表明:基于正交多项式法的纤维增强复合薄板固有频率计算结果与实验结果的相对误差在2.2%~9.7%之间,进而验证了所提出的固有频率计算方法的正确性.      

基于Ansys的永磁同步电机转子振动分析

振动是电机的重要指标,对电机转子进行振动分析为其结构改进和性能优化提供理论依据。运用Ansys有限元分析软件对永磁同步电机转子进行模态分析,得到该电机转子振动系统的低阶固有频率和模态振型,分析了电机振动特性。 通过电机转子模态试验,求得电机低阶固有频率,对比仿真与试验结果,验证有限元分析结果的可靠性。由结果分析可知,研究对象在额定转速下未产生共振,验证了其结构设计的合理性。研究内容对永磁同步电机的设计和优化有一定的指导意义。     

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。     

基于难度系数平衡的涡轴发动机总体设计方法

为了实现第5代涡轴发动机从概念至初步设计阶段的总体方案设计,发展一种兼顾涡轴发动机总体性能与尺寸质量的总体设计方法。统计并评估国内外典型型号涡轴发动机的技术参数,建立涉及总体性能、总体结构、部件的气动/结构/强度/材料等数据库;在概念设计阶段,应用难度系数选取涡轴发动机的技术参数,开发涡轴发动机总体性能和尺寸质量设计的计算模型及程序。基于设计准则完成涡轴发动机总体性能以及各转子部件气动、结构、强度、尺寸及质量等总体方案设计。结果表明:所提出的总体设计方法能够快速有效的实现涡轴发动机的总体方案设计,并以此方法设计完成轴动功率为1500kW的第5代涡轮发动机,耗油率为0.248kg/(kW·h),功质比为10.26kW/kg。      

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。     

三轴仿真转台的外框结构有限元--优化设计

建立了某三轴仿真转台的外框的结构分析模型和结构优化设计模型,利用基于性态模型的拟牛顿法对其进行了优化设计,得出了在一阶固有频率和静态变形约束下的最优方案。     

基于正交试验的柔性联轴器设计灵敏度分析与优化研究

柔性联轴器是某型涡轮热电转换系统的核心部件,对转子动力学特性和工作可靠性有重要影响.本文针对闭式循环热电转换柔性联轴器的结构优化设计问题,开展转子固有频率与临界转速分析,设计柔性联轴器的正交试验,建立转子固有频率同柔性联轴器尺寸参数之间的数学关系;研究转子固有频率随柔性联轴器尺寸参数的变化规律,进行柔性联轴器尺寸参数灵...     

大长径比悬臂柔性转子动力特性分析

针对某小型涡扇发动机低压转子的动力特性开展理论研究。用有限元方法建立了低压转子的分析模型,借助转子动力学分析软件SAMCEF/ROTOR,对转子的动力特性(临界转速、振型和稳态不平衡响应)进行了计算和分析,并揭示了转子的稳态不平衡响应随悬臂端长度的变化规律。研究表明,低压转子在额定工作转速范围内存在二阶临界转速,振型均为弯曲振型,是一个典型的高速柔性转子。研究工作将为低压转子的动力特性和高速动平衡试验提供指导,并为同类转子悬臂端长度的设计提供参考。     

有裂纹悬臂转子的振动特性

本文研究了轴具有横向裂纹的高速悬臂转子的振动特性,提出了监视此裂纹起始及发展的最佳方法。所研究的模型是按一航空涡轮转子建立的,理论分析借传递矩阵-直接积分法,即借传递矩阵导出运动方程,再借直接积分法求解。还对模型裂纹转子作了试验研究,试验结果与理论计算结果在性质上是一致的。通过这一研究发现,转子不平衡响应的三次谐波可能是监视这一类型转子裂纹起始与发展的首要频率分量。      

BR700系列发动机高压压气机设计及结构特征

BR700系列发动机的10级高压压气机设计具有典型的民机构型,同时具有自身的特征。转子一分为二,前6级钛合金盘鼓采用电子束焊接成组件,后4级盘鼓与后鼓筒轴采用高温合金焊接成组件。前机匣为水平对开结构,后机匣为双层结构。叶片设计采用了带飞翼防泄漏结构的周向燕尾榫头转子叶片,及悬臂静叶。通过对BR700系列发动机研制及其高压压气机设计历程的介绍和高压压气机结构的解析,可加深对国外高压压气机结构设计技术的了解和吸收,促进国内结构设计技术发展,助推国内大发动机研制。     

某微型发动机振动特性计算分析

研究了具有锥齿轮啮合及机匣系统的某微型发动机的振动特性。采用弯扭耦合传递矩阵法计算临界转速、不平衡响应和初始弯曲响应,计及转动惯量、陀螺力矩、剪切变形、粘性阻尼和轴向力的影响。为了提高机匣振动固有频率的计算精度,还采用轴质量均布的传递矩阵法计算转子－机匣系统的临界转速与不平衡响应。临界转速及不平衡响应计算结果与试验结果吻合较好。     

局部旋转惯性对转子系统动力特性的影响

提出了基于质心和惯性主轴空间位置的转子旋转惯性描述方法,推导了旋转惯性载荷在不同运动状态下的完整表达式,建立了考虑轮盘质心横向运动和惯性主轴角向运动的连续梁转子模型及运动微分方程。分析表明：高转速下轮盘具有“质心自动定心”与“惯性主轴自动掰正”的趋势,这种旋转惯性将提高转子系统正进动模态频率,并增大转子支点动载荷,盘-轴连接局部角向刚度是决定其影响程度的关键。在此基础上,解释了高转速下转子支点动载荷随转速提高而持续增大的原因,探究了盘-轴连接局部角向刚度对转子系统固有特性和动力学响应的影响规律,为高转速复杂结构转子动力学设计与振动故障排查,提供了理论支撑。     

双转子轴间滑油颗粒运动轨迹参数化模型

为研究双转子轴间滑油颗粒运动对环下润滑收油效率及轴承腔油气分离效率的影响,建立了对转轴间在边界层流场结构下基于质点运动学的滑油颗粒运动轨迹参数化模型,并采用经实验验证的计算流体力学（CFD）数值计算结果进行验证。双转子轴间的边界层流场结构的确定运用了对湍流边界层卡门三层结构速度分布进行修正的方法。结果表明：给出的参数化模型可以很好地描述双转子轴间的滑油颗粒运动规律。直径较大的颗粒径直或沿弧线迅速到达外轴,而直径较小的颗粒中存在一个在给定停留时间内使颗粒无法到达外轴的最大直径,小于这一临界直径的颗粒在有轴向气流时将被吹离轴间环腔。     

考虑螺栓联接的转子系统振动特性分析

针对航空发动机转子振动问题,开展了螺栓法兰联接结构对转子固有特性及不平衡响应的研究。基于有限单元法,结合转子有限元模型及螺栓法兰联接结构的力学模型,建立了考虑螺栓法兰联接的转子动力学模型。基于Newmark-β法求解转子不平衡响应及固有特性,并利用ANSYS仿真软件对结果进行了仿真验证,得到了联接结构刚度对转子固有特性的影响规律。研究结果表明:转子第1阶固有频率对螺栓法兰结构的轴向刚度变化较为敏感;第2阶固有频率对螺栓法兰结构的径向刚度变化较为敏感;第3阶固有频率则对螺栓法兰结构的2种刚度变化均较为敏感;并且转子处的联接刚度会对转子的不平衡响应有一定抑制作用。     

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.