航空发动机转子热弯曲稳态响应计算方法研究

研究航空发动机多转子系统热弯曲稳态响应计算方法，导出能计及诸多因素的热弯曲复数传递矩阵，给出热弯曲振动位能计算方法，并将系统位能作为热弯曲振动水平的一种衡量指标。建立了多转子系统热弯曲稳态响应和不平衡响应计算通用程序，计算了Jeffcoff转子、单转子试验器及多转子发动机系统等多种算例的热弯曲稳态响应及系统位能。并与不平衡响应规律进行比较分析。本计算方法有较大的工程应用价值。     

某型发动机转子热弯曲变形及其影响数值分析

采用有关文献提出的数值分析方法,对某型发动机转子的热弯曲变形及其影响进行了定量分析,得出了一些可供工程实际参考的有益结果。首次在发动机转子轴对称稳态温度场的基础上,借助热弯曲实验器实验结果,产生一个非轴对称温度场,用三维热弹性有限元法计算其热弯曲变形,采用传递矩阵法计算热弯曲振动响应。上述方法在热弯曲试验器分析中均得到了验证。实践表明这是一种分析航空发动机热弯曲及其影响的简便可行的数值分析方法。      

转子热弯曲振动试验研究

模仿某型发动机涡轮转子,研制了悬臂式热弯曲振动试验器,进行了热弯曲温度场测量、热弯曲变形试验、热弯曲振动响应试验,试验结果与采用传递矩阵法计算热弯曲振动响应相比较,理论值与实验值吻合较好。      

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。     

航空发动机热起动过程中转子热弯曲振动特性研究

针对航空发动机在试验起动过程中振动响应显著增大、压气机转子出现偏磨的问题,基于试验过程中的机匣振动测试数据,识别出发动机振动异常现象与发动机热起动过程中存在的转子热弯曲相关.通过综合分析不同热起动条件对发动机振动响应的影响规律,制定了热起动前进行2次冷运转,冷机时间控制在不大于36 min或不小于75 min的起动方案...     

具有局部非线性刚度的复杂转子系统动力学模型及振动特性分析

为了更加精确地预测航空发动机高速柔性转子系统振动响应,为整机振动抑制提供技术支撑,以实际航空发动机转子系统为对象,对其主体结构特征及其连接结构所引起的弯曲刚度非线性特征进行了论述,在此之上建立了其动力学模型。针对这种具有局部非线性刚度的复杂转子系统动力学模型,结合FFT和Broyden迭代方法发展了一种数值谐波平衡法,通过频域方程中的自由度缩减,降低了方程规模,大幅度提高了求解效率。将该方法应用于试验转子的动力特性求解,结果表明:本文方法相比经典数值积分方法可以节省10倍以上时间。采用此方法对涡扇发动机低压转子系统在局部非线性刚度下的动力响应规律进行了分析,论证了论文方法的工程适用性。     

基础振动对转子系统动力特性影响的试验研究

为了满足航空发动机转子系统的动力学设计需求,采用试验方法研究基础的振动幅值和振动频率对转子系统横向振动的影响。结果表明,基础振动对转子动力特性的影响具有方向正交性,基础的水平振动仅影响转子的水平振动响应。转子与基础产生振动耦合,其轴心轨迹的形状和大小受基础振动幅值和频率共同影响,转子振动幅值随基础振幅增加而线性增加,随频率的增加呈二次函数增长,振幅比最大可以达到4。由于基础过大的振幅或频率会带来轴心轨迹的复杂变化,导致振动响应过大,在航空发动机的转子动力特性设计中,必须考虑和有效控制基础的振动幅值和频率,以降低转子系统的振动响应。     

航空发动机叶尖径向间隙研究进展综述

航空发动机叶尖径向间隙是影响其性能和结构安全性的重要因素。简述了航空发动机叶尖间隙研究的国内外发展现状,进而量化间隙对发动机性能的影响,摸清叶尖间隙随飞行里程的变化规律,总结出影响叶尖间隙的主要因素有热负荷、离心负荷、转子不平衡响应、转子热弯曲、机动载荷等,基于各影响因素认为,通过转、静子变形来综合计算分析稳态、瞬态间隙是目前发动机叶尖间隙主要分析方法。为数值分析发动机叶尖间隙打下技术基础。     

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。     

支承方案对航空发动机振动特性影响分析

从降低发动机振动的角度上提出了选择支承方案的原则。以某型机具有一对中央弧齿锥齿轮啮合的转子-机匣发动机系统为对象,研究了支承方案对发动机振动特性的影响。分别采用轴质量离散弯扭耦合传递矩阵法和轴质量均布的纯弯曲传递矩阵法,比较该机主轴采用二支承方案及三支承方案时系统的临界转速、不平衡响应和初始弯曲响应等振动特性,得出了该机采用三支承方案优于二支承方案的结论。     

转子初始弯曲对航空发动机振动的影响

针对某型发动机地面性能调试试验中所表现的振动特征,推测高压转子工作状态不佳为振动异常的可能原因。对发动机分解检查时发现高压压气机后轴存在跳动超差的现象。更换满足要求的后轴后,发动机未再出现类似异常振动,证明振动分析的正确性。为探索该弯曲转子在发动机动平衡及真实运转过程中的力学表现,利用带初始弯曲的Jeffcott转子对目前低速动平衡的原理进行了推导,说明了低速动平衡不能消除转轴存在初始弯曲对振动的影响。结合有限元仿真分析,对带初始弯曲的转子响应进行了计算,结果表明：若初始弯曲偏大,会显著加剧转子自身在临界转速附近的振动响应,给转子的安全稳定运转带来巨大的风险,控制转子的初始弯曲量级对控制整机振动具有重要意义。     

脉冲爆震载荷作用下转子系统动力学特性

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)气动载荷具有周期性、非定常的特点,应用有限元法建立了PDTE转子系统动力学特性计算模型。在验证计算模型准确性的基础上,研究了周期性、非定常轴向力和扭矩对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:与传统燃气涡轮发动机相比,PDTE转子系统同时存在弯曲振动、轴向振动和扭转振动。脉冲爆震燃烧室的气动载荷会改变转子系统的弯曲刚度,但对气动载荷合理设计后,其对弯曲振动的影响较小。周期性、非定常轴向力引起转子系统轴向振动,且轴向振动特性主要受零频和1阶轴向共振频率处响应的影响。PDTE工作时滚珠轴承的轴向支反力会不断变向,在设计滚珠轴承时应予以考虑。周期性、非定常扭矩引起转子系统扭转振动,1阶扭转共振频率分量在扭转振动响应中占优。      

模拟转子叶片丢失后外传载荷影响特性研究

航空适航法则及相关安全性标准中均对航空发动机叶片丢失后的安全性设计提出了要求，为此需要明确关键零件在叶片丢失后所承受的载荷环境。本文利用Newmark-β法求解载荷传递系统的瞬态运动微分方程，得到振动响应与力载荷的关系。设计了模拟转子不平衡响应试验，进行突加不平衡质量后的转子响应测试，进而通过试验件内外振动响应获得了冲击载荷的传递规律。同时为研究阻尼在叶片丢失外传载荷中的影响效果，通过控制对试验件阻尼器是否供油，进行了有支点阻尼及无支点阻尼的振动响应对比试验。研究结果表明，冲击载荷在通过静子件后会产生明显衰减，本文试验对象传递比最高仅为53%，远离转子支承处所承受的载荷远低于转子支承处的载荷。同时，阻尼会明显降低冲击瞬间的外传载荷，但对转子稳定后的稳态载荷影响较小。本文研究表明：进行航空发动机叶片丢失条件下安全性分析时，需考虑冲击载荷的衰减及阻尼影响。另外，合理的阻尼器布局将有效降低叶片丢失时产生的冲击载荷作用，有助于提升发动机的抗冲击能力。     

民用涡扇发动机振动因子试验试飞方法研究

振动故障是航空发动机常见且危害较大的故障,对发动机进行转子平衡是降低发动机振动的重要措施。目前先进的飞机可以利用机载设备和航线飞行记录的振动数据进行低压转子振动配平方案计算,而发动机振动因子是机载设备计算配平方案的关键要素。发动机振动因子需通过大量的试验试飞获取数据并计算得出,介绍了振动因子的计算方法、振动因子的形式,对获取振动因子计算数据的试验试飞方法进行了研究,并给出了振动因子数据处理方法。     

转子热弯曲瞬态温度场及热弯曲变形试验与分析

对热弯曲试验转子进行热弯曲瞬态温度场及热弯曲变形测量 ,通过试验研究摸清转子在自然冷却过程中温度场和热弯曲变形变化规律。供航空发动机热弯曲分析参考     

旋转失速激振力作用下航空发动机转子振动特性

为分析转子系统在压气机旋转失速故障作用下的横向振动,针对某型航空发动机转子系统,根据Mansoux模型推导了旋转失速下的压力、流量脉动响应及旋转失速横向激励力模型,并结合不平衡力、碰摩力模型,建立了航空发动机转子系统的动力学模型.仿真计算了不同工况下旋转失速激振力对转子系统振动响应,通过轴心轨迹图、频谱图、Poincare图、Bode图分析了旋转失速激振力对转子系统稳定性的影响.结果表明:旋转失速引起压气机转子强烈的非线性振动,并主要是低频振动.研究成果可为航空发动机设计和振动监测提供技术支持.      

某型航空发动机后支承动刚度的有限元计算

支承动刚度是影响发动机振动特性的主要因素之一,但目前航空发动机支承结构的刚度系数一般只能靠经验给出一个范围,这严重影响到转子动力特性计算结果的准确性。根据某型航空发动机的实际结构,建立发动机后支撑结构的动力学模型,应用有限元软件MSC.Nastran进行频率响应计算,再由所得位移曲线求出相应的动刚度曲线。本文所采用的计算方法和得到的结果对发动机转子动力特性的研究具有一定的参考价值。     

航空发动机整机振动半实物建模方法研究

为了研究一种快速准确地分析航空发动机整机振动的建模方法,采用试验与仿真结合,在转子模型中综合机匣-支承试验数据的半实物建模方法,对整机振动半实物建模原理,机匣-支承传递函数测试、结构综合建模等问题进行了研究,运用航空发动机转子试验器对半实物建模方法进行验证。建立试验器整机及半实物仿真模型,计算机匣振动响应;拆装转子试验器,测试机匣-支承连接位置频率响应函数,综合转子有限元模型,建立基于试验数据的试验器半实物模型,计算整机频率响应函数。结果表明,半实物建模方法能够在保证计算精度的前提下缩减90%以上的计算时间,运用半实物模型能够准确地获得整机频率响应函数,固有频率计算误差在2%以内。     

正交多项式在不确定转子动态响应计算中的应用及对比分析

为研究航空发动机转子系统中的区间不确定性对系统动态响应的影响,提出利用正交多项式求解不确定转子响应的非嵌入式区间分析法,克服了传统概率方法需要参数先验概率分布的苛刻要求。用有限元法建立了悬臂转子的确定性运动方程,阐述了Chebyshev和Legendre两种正交多项式建立响应代理模型的原理和计算步骤。通过与Monte Carlo抽样对比,验证方法的可行性和精度。对照Monte Carlo方法500样本的计算结果,两种多项式区间法计算结果都具有较高精度,误差均小于1%,而计算时间则分别为Monte Carlo法的2.5%和5.4%,Chebyshev多项式方法具有更高的计算效率。分析了不同不确定参数在不同不确定水平下,系统的响应范围。研究表明,正交多项式区间分析法可高精度高效率地计算转子系统区间响应范围,不确定性对该转子系统动力特性影响很大,多源不确定性传播可引起转子系统大幅振动。      

用模态综合法分析发动机整机振动特性

本文试图把模态综合法与有限元素法相结合,对发动机转子——支承——机匣系统的整机振动特性进行分析。用状态空间广义模态综合法计算轴对称转子与机匣间的耦合振动,用复模态综合法计算非轴对称转子与机匣间的耦合振动。子结构分析采用有限元素法。转子采用具有粘性阻尼,考虑剪切变形的有限转子元素,用承受非轴对称载荷的截锥壳元素离散机匣。所编制的AROBEC程序可计算发动机整机系统的进动频率、临界转速、稳定性、不平衡响应及瞬态响应。目前该程序已实际应用于三种型号的发动机上,获得了满意效果。