组合支承--转子系统非线性振动特性分析

摘要

涡扇发动机是目前空中飞行器的主要动力，其整体性能对于国家安全和国计民生影响巨大，由于其属于高负荷、高效率的复杂旋转机械，且加工精度要求高、结构形式复杂、工作环境严苛，转子系统常常发生突发性振幅过大、振动突变和慢变等不明原因的振动故障，极大降低了其安全可靠性和使用寿命，支承组件是其中一类与转子振动特性密切相关的部件，大量研究指出支承的非线性刚度和阻尼会诱发转子系统出现亚谐、超谐、混沌、双稳态甚至振动突跳等典型的非线性振动，制约了发动机的稳定性与疲劳寿命，因此，对于支承组件的力学特性以及其对转子振动行为的影响已经成为发动机研制中一项需考虑的重要因素，本文针对涡扇发动机中常用的含滚动轴承、挤压油膜阻尼器、鼠笼式弹性支承的组合支承结构进行了力学特性建模，同时结合改进的数值计算方法和IHB谐波平衡方法，对于组合支承-转子系统的有限元模型和集中质量模型进行了详细计算和多工况比较，总结了组合支承的非线性特性及其在不平衡与碰摩耦合故障下的振动响应规律，为更加精确预测发动机中异常振动和组合支承结构参数优化提供理论基础，本文研究主要集中于以下四个方面: (1)基于组合支承内部各元件的耦合作用关系，建立组合支承的解析模型，并采用IHB方法，结合弧长延拓法，对不平衡激励力作用下组合支承的频响曲线进行了追踪，分析了其共振峰值向一侧偏移的双稳态多解现象，并在时域和频域与单一支承的非线性响应特性进行了全面对比，总结了单一支承与组合支承力学特性和振动响应特性的异同。 (2)采用有限元法，结合集中质量模型，以涡扇发动机组合支承-高压转子结构为基础建立对应分析模型，讨论了组合支承对高压转子不同位置振动特性及稳定性的影响，以转速和位置为切入点对非协调响应对应的参数区间进行了分类总结，并给出转轴运动规律与该处支承力变化形式的关系。 (3)以涡轮风扇型双转子结构为基础，建立转子质量分布、支承位置、转轴尺寸等关键参数较贴近发动机实际的有限元模型，分析不同转速比的转子在不同位置振动响应的差异，总结了间隙非线性、不平衡故障的严重程度以及位置对振动响应的影响。 (4)考虑发动机转子叶片与静子机匣之间的碰摩故障，将组合支承的非线性力学模型与碰摩非线性力学模型相结合，利用本文计算方法研究了组合支承-高压转子系统响应时频域特征，总结了碰摩相关参数对高压转子振动行为的影响，并对实际中“碰摩位置与振动突变位置不一致”这一类的异常非线性振动现象进行了理论分析。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．2挤压油膜阻尼器-转子系统研究现状

1．2．3转子系统碰摩行为特征研究现状

1．2．4组合支承-转子系统研究现状

1．2．5转子-支承模型简化及求解方法研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章非线性支承结构及动态特性分析

2．1引言

2．2滚动轴承非线性特性分析

2．2．1基本结构分析

2．2．2力学特性分析

2．2．3滚动轴承非线性特性分析

2．3挤压油膜阻尼器非线性特性分析

2．3．1基本结构及力学分析

2．3．2挤压油膜器非线性特性分析

2．4组合支承非线性特性分析

2．4．1组合支承-刚性转子模型分析

2．4．2组合支承非线性特性分析

2．5本章小结

第3章组合支承-转子系统建模及求解方法

3．1引言

3．2组合支承-转子系统模型

3．2．1转子子结构建模

3．2．2支承子结构建模

3．3模型求解方法

3．3．1半解析法

3．3．2数值积分法

3．4计算方法分析与验证

3．4．1达芬方程对比分析

3．4．2常用解法局限性分析

3．4．3试验结果对比分析

3．5本章小结

第4章组合支承-高压转子系统振动特性分析

4．1引言

4．2组合支承-高压转子系统动力学模型

4．2．1转子有限元模型

4．2．2支承子结构模型

4．3模型求解方法

4．4组合支承-高压转子系统振动分析

4．4．1不平衡响应及固有特性分析

4．4．2转轴振动响应分析

4．4．3转盘振动情况分析

4．4．4转轴运动状态分析

4．4．5非线性力与转子运动耦合情况分析

4．5本章小结

第5章组合支承-双转子系统振动特性分析

5．1引言

5．3组合支承-双转子系统动力学模型

5．4组合支承-双转子非线性响应分析

5．4．1转子不同位置非线性响应分析

5．4．2不同转速比下系统非线性响应分析

5．4．3不同径向间隙下系统非线性响应分析

5．4．4不同不平衡量下系统非线性响应分析

5．5本章小结

第6章组合支承-转子系统碰摩故障分析

6．1引言

6．3组合支承-高压转子碰摩数学模型

6．4．1同步全周碰摩力模型

6．4．2不同转速区碰摩故障特征分析

6．4．3不同碰摩间隙下故障特征分析

6．4．4不同碰摩刚度下故障特征分析

6．5组合支承-转子定点碰摩故障特征分析

6．5．1凸起定点碰摩力模型

6．5．2不同转速区碰摩故障特征分析

6．5．3不同碰摩间隙下故障特征分析

6．5．4不同碰摩刚度下故障特征分析

6．6本章小结

第7章结论与展望

7．1主要结论

7．2研究展望

参考文献

致谢

附录