航空發(fā)動機反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及中介軸承動力特性研究.pdf

1、為提高發(fā)動機的整體性能，許多先進現(xiàn)役航空發(fā)動機采用了含中介支承的反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。作為航空發(fā)動機的主要振源，反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學特性將會是我國航空發(fā)動機研制中重要的研究內(nèi)容之一。本文以航空發(fā)動機五支點雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為工程背景，從反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學建模、非線性系統(tǒng)求解方法、動力特性分析和中介軸承特性分析等方面進行系統(tǒng)深入的研究，以期為航空發(fā)動機反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性設計提供依據(jù)和方法。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下：

2、r>　　(1)將有限元方法和固定界面模態(tài)綜合法相結(jié)合，發(fā)展了一種建立雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學模型的方法。首先利用有限元軟件 ANSYS建立有限元模型，獲取雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和固定界面模態(tài)參數(shù)，根據(jù)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的特點建立動力學方程；然后采用固定界面模態(tài)綜合法進行系統(tǒng)維數(shù)的縮減，提高計算效率。應用此方法系統(tǒng)地分析了反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速特性和勻變速過程的瞬態(tài)響應特性，并通過試驗驗證了系統(tǒng)瞬態(tài)響應特性。仿真計算和試驗結(jié)果表明：陀螺力矩

3、是導致同向和反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速特性差異的主要原因；內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間的動力耦合使反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應特性有別于單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，有其獨有的響應規(guī)律和特性。該方法保留了有限元方法適宜復雜系統(tǒng)動力學建模特點，同時提高了計算效率，具有重要的工程應用價值。
　　(2)考慮中介軸承滾子、套圈和保持架的影響，發(fā)展了雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中介軸承的擬動力學模型。以軸承內(nèi)套圈與內(nèi)轉(zhuǎn)子聯(lián)接，外套圈與外轉(zhuǎn)子聯(lián)接的中介軸承為例，研究了保持架引導方式對軸承動態(tài)

4、特性的影響，并利用試驗結(jié)果對該模型進行了驗證。研究結(jié)果表明：不同的保持引導方式對中介軸承的保持架轉(zhuǎn)速、滾子自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、保持架偏心率有顯著地影響，但對軸承接觸疲勞壽命的影響較小。研究結(jié)果為反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的中介軸承動力學設計提供了依據(jù)。
　　(3)利用有限元方法建立系統(tǒng)的運動方程，借助于模態(tài)綜合法，針對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性力局部性的特點，研究了兩種高維非線性雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性的求解方法。首先利用固定界面模態(tài)綜合法和Newmark直接積分方

5、法，發(fā)展了一種適合支承界面處存在非線性力的雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性求解方法；隨后利用自由界面模態(tài)綜合法和Duhamel積分法，發(fā)展了一種適合任意節(jié)點處存在非線性力的雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性求解的半解析法。分別研究了反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)雙不平衡激振力作用下的非線性動力響應特性和含碰摩故障時的非線性動力響應特性。研究結(jié)果表明：雙不平衡激振力、非線性支承力和非線性碰摩力的存在，使得反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應中出現(xiàn)了豐富的頻率成份和非線性特性。這兩種方法彌補

6、了傳統(tǒng)有限元方法在預測高維局部非線性雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性時效率低下的缺點。
　　(4)為考慮更符合實際的支承模型，引入連接子結(jié)構(gòu)的概念，發(fā)展了建立軸承-擠壓油膜阻尼器-高維雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學模型的方法。以雙轉(zhuǎn)子試驗器為研究對象，將雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)劃分為轉(zhuǎn)子子結(jié)構(gòu)和連接子結(jié)構(gòu)，利用有限元方法和固定界面模態(tài)綜合進行轉(zhuǎn)子子結(jié)構(gòu)的建模及維數(shù)縮減，將支承系統(tǒng)作為獨立的連接子結(jié)構(gòu)保留物理空間，通過界面對接條件實現(xiàn)子結(jié)構(gòu)之間的組裝，借鑒本文發(fā)展的固定定界

7、面模態(tài)綜合和Newmark直接積分相結(jié)合的方法進行了運動方程的數(shù)值求解。通過試驗驗證了該方法的正確性，并研究了系統(tǒng)的不平衡響應規(guī)律。研究結(jié)果表明：分析的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子響應中出現(xiàn)了滾動軸承的變剛度振動頻率、不平衡激勵頻率及相關組合頻率；轉(zhuǎn)子的響應規(guī)律與節(jié)點位置、輪盤的不平衡量及轉(zhuǎn)子振型有著密切的聯(lián)系。該方法為反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性研究中引入詳細的非線性支承結(jié)構(gòu)提供了有效方法。
　　綜上所述，本文系統(tǒng)地研究了反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)