復雜轉子系統(tǒng)瞬態(tài)熱振動及碰摩故障的動力學特性研究.pdf

1、隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進步，旋轉機械在工業(yè)生產(chǎn)中的地位顯得更加重要，尤其在航空領域，發(fā)展航空燃氣渦輪發(fā)動機技術對軍事和經(jīng)濟建設具有極端的重要性。發(fā)展燃氣渦輪發(fā)動機的關鍵是提高推重比，縮小轉、靜子間間隙是提高發(fā)動機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，將導致轉、靜子間發(fā)生碰摩的機率急劇增大。然而，目前國內(nèi)外對于瞬態(tài)響應、熱振動以及轉、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、些復雜轉子系統(tǒng)和多物理場耦合轉子系統(tǒng)的動力學特性的研究還不多見。例如，多盤轉子系統(tǒng)起、停過程中的瞬態(tài)響應和熱碰摩故障研究;雙盤懸臂連續(xù)體轉子-軸承-機匣耦合系統(tǒng)碰摩故障研究;連續(xù)體雙轉子-機匣耦合系統(tǒng)碰摩故障研究;三維實體單元轉子系統(tǒng)熱振動特性分析。復雜轉子系統(tǒng)都具有比簡單轉子系統(tǒng)更加復雜的動力學特性，為了更加準確的揭示其動力學特性，本論文針對上述問題對航空發(fā)動機復雜轉子系統(tǒng)的動力學特性進行了研究，主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(

3、1)考慮到多盤轉子系統(tǒng)經(jīng)歷的啟動、停機工況是一個瞬態(tài)過程，而多盤轉子系統(tǒng)瞬態(tài)響應比穩(wěn)態(tài)響應復雜的多，往往也大的多，瞬態(tài)過程也更接近轉子系統(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，導出多盤轉子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應傳遞矩陣表達式，編制了本文算法的相關分析程序，對彈性支承的多盤轉子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應進行分析，討論了加速度、不平衡量以及阻尼等參數(shù)對某

4、多盤轉子系統(tǒng)瞬態(tài)響應的影響。
　　(2)為了揭示復雜轉子系統(tǒng)在熱啟動過程中的動力學特性，采用Riccati傳遞矩陣和Wilson-θ法相結合的瞬態(tài)傳遞矩陣法，分析穩(wěn)態(tài)溫度場條件下某多盤轉子系統(tǒng)熱啟動過程中的瞬態(tài)響應。為了模擬轉子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場下熱彎多盤轉子系統(tǒng)啟動時瞬態(tài)響應，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)新性地推導出了盤軸單元在熱啟動過程中的瞬態(tài)響應傳遞矩陣表達式。編制了本文算法的相關分析程序，對某多盤轉子

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

6、推導出了盤軸單元在瞬態(tài)熱啟動過程中熱碰摩響應的瞬態(tài)傳遞矩陣表達式。編制了本文算法的相關分析程序，對多盤轉子熱啟動過程中的熱碰摩故障進行了數(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特性。計算結果表明，多盤轉子系統(tǒng)的瞬態(tài)不平衡碰摩響應以及瞬態(tài)不平衡響應與熱彎耦合碰摩有著與單盤轉子碰磨的穩(wěn)態(tài)不平衡響應有著完全不同的非線性動力學特性。
　　(4)根據(jù)航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)的質(zhì)量主要集

7、中于壓氣機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)體轉子-軸承-機匣耦合動力學模型，導出了雙盤懸臂連續(xù)體轉子的四階偏微分運動方程。編制了本文算法的相關分析程序，研究了機匣與軸承耦合、軸承與轉子耦合、機匣與圓盤碰摩的一個懸臂雙盤連續(xù)體轉子的整機動力模型，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，并討論了轉速與偏心量對系統(tǒng)碰摩故障響應的影響。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)動機的雙轉子-機匣耦合系統(tǒng)，創(chuàng)新性的建立了連續(xù)體雙轉子多盤-機匣耦合系統(tǒng)動力學模型，將軸承簡化為彈簧和阻尼?？紤]了低壓轉子與高壓轉子通過中介軸承的耦合作用以及高壓轉子與機匣的碰摩故障的耦合作用，導出了連續(xù)體雙轉子-機匣耦合系統(tǒng)的四階偏微分運動方程。運用變步長四

9、階龍格庫塔法模擬了雙轉子系統(tǒng)的碰摩故障響應，編制了本文算法的相關分析程序，分析了轉速、碰摩剛度以及中介軸承剛度等參數(shù)對系統(tǒng)碰摩故障響應的影響，發(fā)現(xiàn)了不同于簡單轉子系統(tǒng)發(fā)生碰摩故障時的若干非線性動力學特性，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)動機高壓轉子系統(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)點坐標插值等實用方法，建立某高壓轉子彈性支承的三維實體單元有限元模型。以該轉子

10、系統(tǒng)在發(fā)動機運轉停車一段時間后，啟動過程經(jīng)過暖機、盤車不夠充分為背景。機匣內(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，考慮了彈性模量為溫度的函數(shù)。利用熱-結構-動力學耦合理論，采用間接耦合法，分析穩(wěn)態(tài)溫度場對高壓轉子系統(tǒng)的固有頻率、不平衡響應以及不平衡量與熱彎曲耦合響應的影響，找出了影響該轉子系統(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特性。結果表明，在對航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)的振動研究中，建立三維實