航空发动机超静定转子及其不对中解析方法与实验研究

摘要

航空发动机是国家工业制造，科技研发和国防能力的综合体现，随着“两机专项”的实施，研制世界领先的高精尖航空发动机的需求十分迫切。航空发动机长期工作在高温/高转速环境下，由于制造安装误差、热变形和长时间运行的摩擦磨损，低压转子的结构不对中问题在航空发动机系统故障中广泛存在，对转子系统的稳定运行构成严重威胁。目前，超静定转子与不对中/不平衡故障耦合后的基础理论与方法严重不足，不能满足目前实际航空发动机的研究需求，迫切需要开展深入的研究工作。本文以航空发动机超静定转子系统为研究对象，分别对其完全对中、中间支点不对中和涡轮后支点不对中及不平衡耦合状态展开解析模型推导和实验验证工作，旨在为超静定转子系统的设计、动力学建模和不对中振动控制提供一套实用有效的理论分析方法和实验研究思路。 (1)以实际航空发动机低压转子系统简化模型为研究对象，根据套齿联轴器啮合接触条件，推导出啮合刚度模型，分析了其近似刚性啮合状态，使低压转子系统成为超静定结构，进而考虑超静定和弹性支承结构特点，结合力法和D'Alembert原理成功构建了完全对中状态的动力学模型，经过仿真计算，获得了两种模型的固有频率和动力学特性。 (2)在完全对中的模型推导基础上，在超静定转子系统中间支点设置不对中状态，通过撤除中间支点的多余约束，并附加静态不对中力，首次引入柔度修正系数，得到了中间支点不对中状态的理论模型，并对其动力学特性进行分析，得到了中间支点不对中对系统固有频率和转子动力学特性影响的新规律。 (3)基于前述研究内容，在低压涡轮转子后支点引入不对中情况，沿用“力法”求解思路，详细推导了涡轮后支点不对中的动态附加激励力及对系统刚度矩阵的影响规律，获得了涡轮后支点不对中的动力学特性。结果表明：不对中故障不仅会产生动态附加激励，还会引起系统刚度矩阵变化，导致临界转速漂移，2×振动和内“8”字形轴心轨迹，后续实验与理论结果吻合较好。 (4)针对超静定转子系统完全对中状态、中间支点不对中和涡轮后支点不对中理论解析模型的固有特性和转子动力学特性进行了验证实验，证明所建立的理论模型，能够很好的预测动力学特性及变化规律，研究结果为以航空发动机低压转子系统为代表的超静定转子系统设计、动力学建模、振动控制和故障诊断提供了理论思路和实验依据。

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