涡扇发动机低压转子系统振动特性研究

摘要

近年来，出于国家安全和经济长远发展的考虑，国家对航空发动机的研发越来越重视。“航空发动机与燃气轮机”国家科技重大专项的设立，标志着国家将集中各方面的力量在这一领域寻求突破。低压转子系统是涡扇发动机的重要组成部分，跨距大，质量分布不均，转速高，并采用套齿联接结构联接风扇转子和低压涡轮转子实现动力传输，联接结构依赖具有小间隙的套齿和定位面传递力、扭矩或弯矩，使得联接呈现区间或间隙等非线性特征;由于联接的非线性及转子自身的特殊结构，使得转子系统存在振动突出、振动敏感、振幅不稳，临界转速波动或漂移等问题。
　　本文拟以先进涡扇发动机为研究对象，针对低压转子系统含套齿联接结构开展研究工作。本文主要研究内容和结论包括:
　　1.针对涡扇发动机低压转子的套齿联接结构中的圆柱定位面，推导圆柱接触面周向接触间隙的表达式。然后通过对Hertz接触理论和GW粗糙平面接触模型进行分析，建立了圆柱接触面接触刚度模型。通过仿真得到不同接触力、装配间隙、圆柱接触长度、表面粗糙度等对圆柱接触刚度的影响，并通过实验进行了验证，为低压转子系统建模提供联接结构模型依据。研究结果表明:随着接触力的增加，接触距离减小、接触刚度增加;当接触力较大时，接触刚度变化放缓。小间隙下，接触距离和接触刚度随接触力变化较为敏感;大间隙下，接触距离和接触刚度几乎不随间隙而改变。
　　2.以具有代表意义的涡扇发动机的低压转子系统为对象，考虑了支承结构的弹性特点，并计入套齿联轴器内外两部分的相对运动，研究基于柔度分析的复杂转子系统动力学的建模方法，获得二自由度解析动力学模型，并应用有限元仿真和实验进行了验证。
　　3.基于有限元方法，建立低压转子系统的少自由度有限元动力学模型，采用基于Matlab的动力学求解程序，采用Newmark逐步积分法，研究了低压转子系统的固有特性、不平衡响应及振动敏感性。
　　4.设计并搭建了涡扇发动机低压转子原理实验台，并利用高精度激光对中仪对实验台进行对中调试，使得各支点间的不对中量都控制在合理范围内;对尾部支点进行了动平衡，使得其水平向振动幅值降低了68％，竖直向振动幅值降低了35％;并对基本动力学特性进行了实验测试和分析，对理论分析、数值仿真和实验结果进行了综合对比验证。
　　研究结果对于涡扇发动机转子系统结构设计提供了一种简洁的解析模型，并为其振动控制、故障诊断等提供了参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与研究的目的意义

1．2 我国航空发动机的发展前景

1．3 涡扇发动机低压转子系统及其套齿联接结构

1．3．1 低压转子系统概述

1．3．2 套齿联接结构

1．4 表面接触与套齿联接结构模型的研究现状

1．4．1 表面接触研究

1．4．2 套齿联接结构表征及特性

1．5 具有非线性结构的转子动力学研究现状

1．6 本文主要研究内容及目的

2 套齿联接结构圆柱面接触刚度建模与仿真

2．1 套齿联接的圆柱面接触状态分析

2．2 粗糙表面接触理论分析

2．2．1 Hertz接触理论分析

2．2．2 粗糙表面接触的GW模型

2．3 圆柱粗糙表面接触模型

2．4 套齿联接结构圆柱定位面接触刚度仿真

2．4．1 接触力对接触刚度的影响

2．4．2 装配间隙对接触刚度的影响

2．4．3 接触长度对接触刚度的影响

2．4．4 粗糙度对接触刚度的影响

2．5 套齿联接结构接触刚度实验测试

2．6 本章小结

3 基于解析法的涡扇发动机低压转子系统动力学模型

3．1 结构描述与力学模型

3．2 基于柔度分析的转子系统整体刚度确定

3．2．1 风扇转子的变形分析

3．2．2 低压涡轮转子的变形分析

3．2．3 风扇转子和低压涡轮转子的耦合变形分析

3．2．4 系统刚度矩阵

3．3 三弹支转子系统动力学模型求解

3．3．1 系统动力学方程

3．3．2 临界转速

3．4 算例及验证

3．4．1 模型确认及解析法求解

3．4．2 有限元验证

3．4．3 结果对比

3．4．4 响应分析

3．5 本章小结

4 基于有限元方法的涡扇发动机低压转子系统动力学

4．1 有限元建模过程

4．2 涡扇发动机低压转子原理实验台结构参数

4．3 涡扇发动机低压转子系统临界转速及模态振型

4．4 涡扇发动机低压转子系统不平衡响应

4．5 本章小结

5 涡扇发动机低压转子原理实验台动力学特性实验研究

5．1 涡扇发动机低压转子原理实验台设计

5．2 低压转子系统不对中动力学测试及对中调节

5．3 低压转子系统转子动平衡

5．4 低压转子系统动力学特性测试

5．5 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢