復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)瞬態(tài)熱振動及碰摩故障的動力學(xué)特性研究.pdf

1、隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工業(yè)生產(chǎn)中的地位顯得更加重要，尤其在航空領(lǐng)域，發(fā)展航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)技術(shù)對軍事和經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有極端的重要性。發(fā)展燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵是提高推重比，縮小轉(zhuǎn)、靜子間間隙是提高發(fā)動機(jī)輸出功率最有效的措施之一。但是由于不平衡量過大、熱彎曲等工況的存在，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)、靜子間發(fā)生碰摩的機(jī)率急劇增大。然而，目前國內(nèi)外對于瞬態(tài)響應(yīng)、熱振動以及轉(zhuǎn)、靜件碰摩故障研究，大多存在著所建立的模型比較簡單、物理場單一等局限性，對于一

2、些復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和多物理場耦合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性的研究還不多見。例如，多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)起、停過程中的瞬態(tài)響應(yīng)和熱碰摩故障研究;雙盤懸臂連續(xù)體轉(zhuǎn)子-軸承-機(jī)匣耦合系統(tǒng)碰摩故障研究;連續(xù)體雙轉(zhuǎn)子-機(jī)匣耦合系統(tǒng)碰摩故障研究;三維實體單元轉(zhuǎn)子系統(tǒng)熱振動特性分析。復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)都具有比簡單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)更加復(fù)雜的動力學(xué)特性，為了更加準(zhǔn)確的揭示其動力學(xué)特性，本論文針對上述問題對航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(

3、1)考慮到多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)經(jīng)歷的啟動、停機(jī)工況是一個瞬態(tài)過程，而多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)比穩(wěn)態(tài)響應(yīng)復(fù)雜的多，往往也大的多，瞬態(tài)過程也更接近轉(zhuǎn)子系統(tǒng)啟動過程的的實際工況。因此，采用Riccati傳遞矩陣-直接積分法（Wilson-θ法），建立了考慮圓盤不平衡力和不平衡力矩時圓盤的新型受力模型，導(dǎo)出多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)傳遞矩陣表達(dá)式，編制了本文算法的相關(guān)分析程序，對彈性支承的多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，討論了加速度、不平衡量以及阻尼等參數(shù)對某

4、多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的影響。
　　(2)為了揭示復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在熱啟動過程中的動力學(xué)特性，采用Riccati傳遞矩陣和Wilson-θ法相結(jié)合的瞬態(tài)傳遞矩陣法，分析穩(wěn)態(tài)溫度場條件下某多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)熱啟動過程中的瞬態(tài)響應(yīng)。為了模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場下熱彎多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)啟動時瞬態(tài)響應(yīng)，建立了新型的穩(wěn)態(tài)溫度場下等截面無質(zhì)量軸的計算模型，創(chuàng)新性地推導(dǎo)出了盤軸單元在熱啟動過程中的瞬態(tài)響應(yīng)傳遞矩陣表達(dá)式。編制了本文算法的相關(guān)分析程序，對某多盤轉(zhuǎn)子

5、在穩(wěn)態(tài)溫度場下的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，揭示了其熱啟動過程中的某些動力學(xué)特性，為改進(jìn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定性提供理論與計算依據(jù)。
　　(3)由于航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作環(huán)境非常惡劣，當(dāng)轉(zhuǎn)子具有較大的熱彎曲時啟動開車將使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生很大的振動，隨之而來的是轉(zhuǎn)、靜件間發(fā)生熱碰摩的機(jī)率急劇增大。為了揭示熱彎轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)熱碰摩動力學(xué)特性，采用Riccati傳遞矩陣和Wilson-θ法相結(jié)合的方法，建立了多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的熱碰摩動力學(xué)方程，創(chuàng)新性地

6、推導(dǎo)出了盤軸單元在瞬態(tài)熱啟動過程中熱碰摩響應(yīng)的瞬態(tài)傳遞矩陣表達(dá)式。編制了本文算法的相關(guān)分析程序，對多盤轉(zhuǎn)子熱啟動過程中的熱碰摩故障進(jìn)行了數(shù)值計算與分析，發(fā)現(xiàn)了在不同動、靜件間隙下瞬態(tài)不平衡力碰摩和不平衡力與熱彎曲耦合碰摩的若干非線性動力學(xué)特性。計算結(jié)果表明，多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)不平衡碰摩響應(yīng)以及瞬態(tài)不平衡響應(yīng)與熱彎耦合碰摩有著與單盤轉(zhuǎn)子碰磨的穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)有著完全不同的非線性動力學(xué)特性。
　　(4)根據(jù)航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量主要集

7、中于壓氣機(jī)及渦輪部分的這一工程實際，建立了新型的含碰摩故障的雙盤懸臂連續(xù)體轉(zhuǎn)子-軸承-機(jī)匣耦合動力學(xué)模型，導(dǎo)出了雙盤懸臂連續(xù)體轉(zhuǎn)子的四階偏微分運(yùn)動方程。編制了本文算法的相關(guān)分析程序，研究了機(jī)匣與軸承耦合、軸承與轉(zhuǎn)子耦合、機(jī)匣與圓盤碰摩的一個懸臂雙盤連續(xù)體轉(zhuǎn)子的整機(jī)動力模型，整個模型簡化為具有22個自由度的耦合系統(tǒng)動力模型，通過變步長四階龍格庫塔法模擬了系統(tǒng)的碰摩故障響應(yīng)，并討論了轉(zhuǎn)速與偏心量對系統(tǒng)碰摩故障響應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)了該模型在發(fā)生碰

8、摩故障時的若干非線性動力學(xué)特性，為解決工程實際問題提供了一定的理論依據(jù)。通過文中所建立模型與單盤轉(zhuǎn)子模型振動特性的比較，驗證了建立文中模型的必要性。
　　(5)針對實際航空發(fā)動機(jī)的雙轉(zhuǎn)子-機(jī)匣耦合系統(tǒng)，創(chuàng)新性的建立了連續(xù)體雙轉(zhuǎn)子多盤-機(jī)匣耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型，將軸承簡化為彈簧和阻尼。考慮了低壓轉(zhuǎn)子與高壓轉(zhuǎn)子通過中介軸承的耦合作用以及高壓轉(zhuǎn)子與機(jī)匣的碰摩故障的耦合作用，導(dǎo)出了連續(xù)體雙轉(zhuǎn)子-機(jī)匣耦合系統(tǒng)的四階偏微分運(yùn)動方程。運(yùn)用變步長四

9、階龍格庫塔法模擬了雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩故障響應(yīng)，編制了本文算法的相關(guān)分析程序，分析了轉(zhuǎn)速、碰摩剛度以及中介軸承剛度等參數(shù)對系統(tǒng)碰摩故障響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)了不同于簡單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生碰摩故障時的若干非線性動力學(xué)特性，為解決實際工程問題提供了可參考的理論依據(jù)，具有一定的工程意義。
　　(6)以某型航空發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象，提出了通過子塊串聯(lián)2D編號方法及曲面節(jié)點坐標(biāo)插值等實用方法，建立某高壓轉(zhuǎn)子彈性支承的三維實體單元有限元模型。以該轉(zhuǎn)子

10、系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)停車一段時間后，啟動過程經(jīng)過暖機(jī)、盤車不夠充分為背景。機(jī)匣內(nèi)溫度上熱下冷，沿軸向分布也不均勻這一穩(wěn)態(tài)溫度場狀況為基礎(chǔ)，考慮了彈性模量為溫度的函數(shù)。利用熱-結(jié)構(gòu)-動力學(xué)耦合理論，采用間接耦合法，分析穩(wěn)態(tài)溫度場對高壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率、不平衡響應(yīng)以及不平衡量與熱彎曲耦合響應(yīng)的影響，找出了影響該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)熱振動特性的敏感因素，發(fā)現(xiàn)了采用二維梁單元模型無法觀察到的動力學(xué)特性。結(jié)果表明，在對航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動研究中，建立三維實