不同支承条件下双转子系统动力学特性响应分析

摘要

航空发动机是飞机的关键组成部分，其动力学特性对飞机的性能以及飞机发生故障的原因有着极大的影响，因此对航空发动机整机动力学特性进行研究有深远的意义。然而双转子航空发动机结构复杂，对其进行准确的建模异常困难。本文以某航空发动机带机匣双转子试验器为参考，分别采用Timoshenko梁理论和截锥壳单元法对其双转子系统和机匣进行有限元建模，得到了试验器的整机有限元模型。 基于某航空发动机带机匣双转子试验器所建立的带机匣双转子系统有限元模型，本文先通过仿真计算不同转子位置故障传递到机匣的响应，得到不同转子故障位置最佳响应测点，再通过改变机匣厚度从而得到具有不同机匣-转子质量比的整机系统模型，研究了不同机匣-转子质量比对双转子航空发动机整机动力学特性的影响。在机匣材料方面，研究了采用不同机匣材料对双转子航空发动机整机动力学特性的影响。研究结果表明：随机匣-转子质量比的增大，机匣的振动先减小后增大，从优化整机振动响应角度出发存在最佳质量比，当机匣-转子质量比约等于0.45时，整机系统的振动最小；采用不同材料的机匣对整机系统的临界转速影响不大，但对整机系统振动具有一定影响，当机匣采用合金钢时，整机系统的振动最小，采用铝合金时，整机系统的振动最大。 飞机进行机动飞行时，过大的机动载荷会导致发动机发生故障，然而故障原因也与其他因素有关。本文研究了俯冲拉起机动飞行条件下机匣支承刚度、安装节支承刚度与机动载荷对双转子航空发动机整机动力学特性的影响。研究表明：机匣支承刚度与机动载荷对发动机产生转静子径向碰摩的影响较大，而安装节支承刚度对发动机产生转静子径向碰摩的影响较小；机匣测点振动随机匣支承刚度的减小而减小，而随安装节支承刚度的减小而增大；机匣测点振动能够反映机动载荷的影响，但并不能反映机动载荷影响的程度。

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摘 要

ABSTRACT

1 前言

选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 关于转子动力特性的研究

1.2.2 关于航空发动机整机建模的研究

1.2.3 关于故障转子系统动力学特性的研究

1.2.4 关于机动飞行条件下转子系统动力学特性的研究

1.3 本文研究的主要内容

2 双转子整机系统动力学建模及数值研究方法

2.1 双转子系统有限元建模方法

2.2 圆盘单元

2.3 梁单元

2.4机匣系统的有限元建模

2.4.1坐标系

2.4.2位移函数

2.4.3应变位移关系及应力应变关系

2.4.4 单元矩阵

2.5整机系统矩阵的建立

2.6 双转子整机系统动力学模型数值研究方法

3 双转子系统整机模型建立及测点灵敏度分析

3.1涡轮风扇航空发动机结构特点分析

3.1.1低压压气机（风扇）

3.1.2高压压气机

3.1.3高压涡轮

3.1.4低压涡轮

3.1.5联接与支承方式

3.2 试验器

3.2.1试验器功能及系统结构组成

3.2.2试验器转子机械系统的建立

3.3 双转子航空发动机整机动力学建模

3.3.1 系统模型建立

3.3.2 系统有限元模型的建立

3.4 机匣有限元模型验证

3.5 机匣响应分析

3.5.1 转子不平衡机匣响应分析

3.5.2 转子不平衡-不对中机匣响应分析

3.6 本章小结

4 不同机匣支承条件下双转子系统动力学特性响应分析

4.1 不同机匣-转子质量比下双转子系统的整机动力响应分析

4.2 采用不同机匣材料时双转子系统的整机动力响应分析

4.3 双转子试验器试验数据分析

4.3.1 低压转子主激励时双转子系统临界转速的实验分析

4.3.2 高压转子主激励时双转子系统临界转速的实验分析

4.3.3 低压转子主激励时整机系统临界转速的实验分析

4.3.4 高压转子主激励时整机系统临界转速的实验分析

4.3.5 不同支承条件下双转子试验台临界转速试验对比

4.4 本章小结

5 机动飞行时支承刚度对双转子系统动力学特性影响分析

5.1 机动飞行双转子航空发动机整机振动分析

5.2 机匣支承刚度对机动飞行下双转子航空发动机整机振动影响

5.3 安装节支承刚度对机动飞行下双转子航空发动机整机振动影响

5.4 机动载荷对机动飞行下双转子航空发动机整机振动影响

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文的主要研究内容及结论

6.2 研究展望

参考文献

附录1 机匣单元质量矩阵、刚度矩阵计算程序

附录2 Newmark数值分析法整合程序

致 谢

攻读学位期间发表的学术论文