航空发动机整机动力学研究进展与展望

对近年来航空发动机整机动力学的研究现状、进展进行了综述,包括双转子系统固有特性计算、转子-滚动轴承系统动力学、转子叶片振动、发动机机匣动力学、机动飞行转子系统动力学、航空发动机转子碰摩动力学、航空发动机转子裂纹以及整机动力学等.最后对航空发动机整机动力学今后工作研究的方向进行了展望.     

径向气体轴承-柔性转子耦合系统动力学研究

采用轨迹法对径向气体轴承(纯动压径向气体轴承、动静混合径向气体轴承)-柔性转子耦合系统的非线性动力学特性进行研究.建立柔性转子系统的多自由度模型,通过变方向隐式(ADI)方法实现瞬态气体润滑雷诺方程(含时间项)与转子动力学方程的耦合求解,通过数值仿真获得了系统在不同偏心质量作用下的非线性气膜力、轨迹图、相图、频谱图、能量谱图、分岔图、振型图及重力作用下轴承的平衡位置分布图.针对所采用的轨迹法的特点,研究了相应的非线性动力学参数获取方法.结果表明,轨迹法能够很好的描述径向气体轴承转子动力学特性及其气膜涡动现象,为径向气体轴承-柔性转子系统设计奠定基础.      

结构阻尼对发动机转子系统稳定性的影响

根据航空发动机转子的结构特点,构建了考虑结构阻尼和挤压油膜阻尼力的转子动力学简化模型,分别采用Routh-Hurwitz判据和平衡点解预测追踪算法分析了转子系统的失稳门槛转速.结果表明:结构阻尼会导致转子系统在临界转速之上的某一转速范围内失稳,并且会降低由挤压油膜阻尼力引起的失稳门槛转速,使转子系统提前进入失稳状态.      

反向旋转双转子系统动力学特性的有限元分析

近年来,有限元方法在计算转子系统的动力学特性方面得到了很大的发展。利用有限元方法计算了反向旋转双转子系统的动力学特性,分析了反向旋转双转子结构的临界转速特性和主振型特点。研究了中介轴承刚度和转速比对该双转子系统临界转速的影响。通过对结果的分析,得到一系列十分有益的结论,可为反向旋转双转子系统的设计提供一定的参考价值。     

拉杆组合转子的刚度修正及动力学建模

为研究拉杆组合转子的动力学特性并比较其与整体式转子的差异,基于集总参数法,提出了一种拉杆组合转子动力学建模的方法.该方法通过对整体式转子梁模型抗弯刚度的修正,可以考虑接触、预紧力和拉杆等因素的影响.首先分别分析了这3个因素对等效梁静态抗弯刚度的影响,给出了相应的修正系数.研究结果表明:接触界面和拉杆对轴段抗弯刚度的影响很大,而轴向预紧力的影响较小.然后,针对一模化实验拉杆组合转子,计算了各轴段的修正系数并建立了动力学模型.其临界转速计算值和实验结果吻合,误差仅0.8%,表明了方法的正确性.研究可为其他组合式结构的动力学分析和设计提供参考和借鉴.      

航空发动机整机振动耦合动力学模型及其验证

针对航空发动机整机振动,建立了一种通用的复杂转子-支承-机匣耦合动力学模型.在模型中,利用有限元方法对转子和机匣系统进行建模.支承系统采用集总参数模型,计入了滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性,定义了多种支承和连接方式,以适应多转子和多机匣的复杂结构建模.运用数值积分获取系统非线性动力学响应.针对两个实际的航空发动机转子实验器,建立了整机耦合动力学模型,进行了整机模态实验验证,结果表明了航空发动机整机振动耦合动力学建模方法的正确有效性.      

齿轮传动涡扇发动机低压转子结构与动力学分析

选取齿轮传动涡扇发动机低压转子为研究对象,以结构效率评估参数量化其动力学特性.通过建立低压转子简化模型,对低压转子关键结构参数(即支承方案、支点支承刚度)对其动力学特性的影响规律进行了研究,阐明了低压转子结构参数与其动力学特性的关系,并对其支承方案及支承刚度进行了优选设计.当低压转子支承方案为1-0-1,两支点支承刚度分别为5.84×107N/m和5.90×107N/m时,转子动力学性能较优,此时转子角向抗变形能力较好,前两阶临界转速分布满足共振裕度设计要求,且分布于小的转速区间内.      

航空发动机高压转子的结构动力学设计方法

建立了航空发动机高压转子的动力学模型,该模型包含所有的结构动力学设计参数,揭示了设计参数与转子振动特性间的关系,提出了转子临界转速界值的估计方法,并予以理论证明.建立了分别基于两阶临界响应的支承刚度设计准则.发现了转子参数临界转速现象,在参数临界转速处,阻尼器将失去阻尼作用,振动趋于无穷大;给出了参数临界转速出现的条件,上述的结论对于航空发动机高压转子的设计具有重要的指导意义.     

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.      

航空发动机滚动轴承-双转子系统动态特性分析

在滚动轴承动力学和转子动力学分析基础上,建立了含滚动轴承动力学与转子动力学耦合以及高、低压转子间耦合的滚动轴承-双转子系统动力学方程,采用精细积分法和预估-校正Adams-Bashforth-Moulton多步法相结合的算法,对航空发动机滚动轴承-双转子系统非线性动力学方程进行求解,并对滚动轴承结构参数与转子动态特性的关系进行了理论分析.分析结果表明:①中介轴承径向游隙较小时转子系统振动量较小且转子运行较平稳,但中介轴承保持架打滑率会有所提高,应合理选取中介轴承的径向游隙值;中介轴承滚子数量对转子运转稳定性有较大影响,减小中介轴承滚子数量可降低保持架打滑率,但转子系统的振动量会增大;②支承轴承内、外沟曲率半径系数及径向游隙较小时转子系统的振动量较小,转子运转较稳定;支承轴承滚动体数量对转子运转稳定性有较大影响,滚动体数量增多有利于转子系统运行的平稳性.      

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。      

用于高增益飞控系统设计的直升机纵向模型

在小扰动假设的条件下，研究了含有直升机旋翼挥舞动力学的纵向运动模型的建立方法，指出了准静态纵向运动方程的裨及限制，通过对实例的计算研究发现，机体对挥舞的影响可以忽略，模型可简化为机体和挥舞模型的串联。最后，在同一控制律作用下对运动稳定性进行了计算，结果表明含有挥舞动力学的纵向运动模型才能适用于高增益飞行控制系统的设计。     

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.      

考虑陀螺效应的转子动力学相似准则

针对考虑陀螺力矩的转子系统缩尺相似模型与原型是否满足动力学相似的问题,采用量纲分析法推导了考虑陀螺力矩的转子-简单支撑系统相似准则,得到了模型与原型各物理量相似比.通过求解不同相似比下Jeffcott转子系统临界转速的解析解,和利用有限元软件ANSYS对某转子系统临界转速和振型相似性进行了数值模拟,验证了所推导的考虑陀螺力矩转子系统相似准则的正确性.研究表明:考虑陀螺力矩、简单支撑和Rayleigh比例阻尼的转子系统,在相似转速下缩尺模型与原型的固有频率具有相似性,并且临界转速相似.      

直升机飞行动力学数学建模问题

直升机飞行动力学数学模型是飞行控制系统设计的基础,也是直升机飞行品质设计和评估的主要手段。直升机是一个多体系统,在直升机飞行动力学建模过程中,必须考虑旋翼、机体与升力面等的运动耦合、惯性耦合、结构耦合和气动耦合以及非定常、非线性特性,给出各个运动部件的物理模型及其数学表达形式,是对不同假设、子模型进行分析和综合的一个复杂的过程。鉴于此,简要回顾了单旋翼带尾桨直升机飞行动力学数学模型的研究现状,着重描述了直升机飞行动力学数学建模中的旋翼气动力建模、直升机气动干扰建模、旋翼/发动机建模以及直升机飞行动力学模型的集成与综合的研究现状与研究进展。最后,针对直升机飞行动力学的数学建模提出了今后的研究重点。     

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。      

复合材料桨叶固有特性计算与试验研究

直升机旋翼的固有特性是直升机动力学问题研究的基础。文中运用有限元方法分析了模型旋翼复合材料桨叶的固有特性。运用ANSYS软件计算了桨叶的固有频率和振型,并通过试验测量了桨叶的固有频率。结果表明用有限元方法计算复合材料桨叶的固有特性与试验值吻合。     

应用整体传递系数法分析复杂转子系统转静件碰摩振动特征

整体传递系数法是近年来发展起来的计算大型复杂转子系统动力特性的新方法。本文应用整体传递系数法分别对单转子、双转子系统碰摩故障进行数值模拟,计算碰摩现象的瞬态响应,应用傅立叶变换对振动响应信号进行频谱分析,得出单转子和双转子碰摩故障的频谱特征,并与实验结果对比,得出了较有价值的结论。      

涡扇发动机多动力学建模方法

考虑涡扇发动机转子部件的惯性、容腔中质量与能量的堆积效应和高低温部件间的热交换,依据转子动力学、容积动力学及热力学建立涡扇发动机部件级非线性动态数学模型。通过求解质量、动量和能量的一阶微分方程,获得发动机典型截面处的性能参数。该模型能够反映涡扇发动机温度、压力、转速等12个关键参数的动态特性,避免传统转子动力学迭代模型的迭代求解,提高了模型实时性。模型输出与试验数据对比结果表明,其稳态误差小于1.6%,最大动态误差小于5%,单次流路计算平均耗时为0.009 ms。     

机动飞行飞行器内具有初始弯曲和刚度不对称的转子运动模型

本文建立了位于机动飞行飞行器内且同时具有初始弯曲、不对称刚度和质量不平衡的单盘Jeffcott转子的动力学模型。当飞行器静止时,设相关参数为零后该模型与相应地面转子系统的数学模型完全相同。应用该模型可数值仿真研究飞行器运动时位于飞行器内的等转速、等加速、等减速运行转子的动态特性,研究飞行器不同飞行速度和加速度对转子动力学特性的影响,分析飞行器飞行时转子出现故障时的响应特性,从而为机动飞行器内转子的动力学分析和故障诊断提供依据。