航空發(fā)動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及中介軸承動(dòng)力特性研究.pdf

1、為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，許多先進(jìn)現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的主要振源，反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性將會(huì)是我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中重要的研究?jī)?nèi)容之一。本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)五支點(diǎn)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(dòng)力學(xué)建模、非線性系統(tǒng)求解方法、動(dòng)力特性分析和中介軸承特性分析等方面進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，以期為航空發(fā)動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)提供依據(jù)和方法。主要研究?jī)?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(dòng)力學(xué)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(diǎn)建立動(dòng)力學(xué)方程；然后采用固定界面模態(tài)綜合法進(jìn)行系統(tǒng)維數(shù)的縮減，提高計(jì)算效率。應(yīng)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(guò)程的瞬態(tài)響應(yīng)特性，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)特性。仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明：陀螺力矩

3、是導(dǎo)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(dòng)力耦合使反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性有別于單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，有其獨(dú)有的響應(yīng)規(guī)律和特性。該方法保留了有限元方法適宜復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模特點(diǎn)，同時(shí)提高了計(jì)算效率，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)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(dòng)力學(xué)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(dǎo)方式對(duì)軸承動(dòng)態(tài)

4、特性的影響，并利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：不同的保持引導(dǎo)方式對(duì)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(duì)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(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　(3)利用有限元方法建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，借助于模態(tài)綜合法，針對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性力局部性的特點(diǎn)，研究了兩種高維非線性雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)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(diǎn)處存在非線性力的雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力響應(yīng)特性和含碰摩故障時(shí)的非線性動(dòng)力響應(yīng)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(yīng)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(bǔ)

6、了傳統(tǒng)有限元方法在預(yù)測(cè)高維局部非線性雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性時(shí)效率低下的缺點(diǎn)。
　　(4)為考慮更符合實(shí)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(dòng)力學(xué)模型的方法。以雙轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器為研究對(duì)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(jìn)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(dú)立的連接子結(jié)構(gòu)保留物理空間，通過(guò)界面對(duì)接條件實(shí)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(jìn)行了運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值求解。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性，并研究了系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)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(yīng)中出現(xiàn)了滾動(dòng)軸承的變剛度振動(dòng)頻率、不平衡激勵(lì)頻率及相關(guān)組合頻率；轉(zhuǎn)子的響應(yīng)規(guī)律與節(jié)點(diǎn)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(dòng)力特性研究中引入詳細(xì)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)