高速旋轉(zhuǎn)葉片-機匣結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)熱耦合特性研究.pdf

1、航空發(fā)動機朝著輕量、高速、重載和連續(xù)運行等方向的發(fā)展，其整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，轉(zhuǎn)/靜子間的間隙要求更小，因此發(fā)動機轉(zhuǎn)/靜子碰摩故障問題成為主要的技術(shù)瓶頸。目前對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)/靜子碰摩故障的研究多集中在碰摩非線性動力響應(yīng)、熱沖擊、接觸剛度等方面，而對熱耦合作用下轉(zhuǎn)/靜子的碰摩特性仍缺乏系統(tǒng)的研究。本文借助轉(zhuǎn)子動力學、傳熱學、振動分析等理論，針對高速旋轉(zhuǎn)葉片熱耦合狀態(tài)下的振動特性、約束葉片的熱屈曲響應(yīng)以及葉片-機匣結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)碰摩問題展開研究，為

2、改善碰摩狀況、控制系統(tǒng)能量擴散以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)提供參考。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于Hamilton原理，推導(dǎo)了高速旋轉(zhuǎn)葉片在熱-結(jié)構(gòu)耦合場下的振動平衡方程?？紤]溫度場、旋轉(zhuǎn)軟化及離心力效應(yīng)，建立多場耦合的動力學模型，采用有限元法對葉片的熱-結(jié)構(gòu)耦合模型進行模態(tài)分析。結(jié)果表明，溫度場、旋轉(zhuǎn)軟化和離心力效應(yīng)的三者耦合作用會使旋轉(zhuǎn)葉片發(fā)生明顯的彎扭振型。隨溫度和轉(zhuǎn)速的升高，彎扭振型下葉片的徑向變形量增加，這將直接影響葉尖與機匣

3、內(nèi)壁的原有間隙，易使兩者發(fā)生碰摩故障。⑵基于熱屈曲理論，分別建立了約束葉片的線性和非線性熱屈曲平衡方程，研究葉片結(jié)構(gòu)的幾何模態(tài)、屈曲應(yīng)力及臨界屈曲載荷，進而確定其結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性和失穩(wěn)形式。結(jié)果表明，非線性分析結(jié)果更接近工程實際情況。同時在熱沖擊載荷作用下，葉尖承受較大應(yīng)力，葉片以扭轉(zhuǎn)變形為主，該變形進一步縮小了葉片與機匣內(nèi)壁的距離。⑶在葉片熱耦合彎曲和扭轉(zhuǎn)形式的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了懸臂梁-彈簧式的葉片-機匣碰摩接觸模型。以瞬態(tài)脈沖力模擬高速沖擊