發(fā)布時(shí)間：2020-12-15 03:44

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為最復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機(jī)械,同時(shí)受到轉(zhuǎn)子不平衡力等多種載荷的激勵(lì)作用,部件及整機(jī)振動(dòng)問題突出。為了進(jìn)一步提高推重比,航空發(fā)動(dòng)機(jī)向輕量化、大推力的方向發(fā)展,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況惡化以及轉(zhuǎn)、靜子部件間振動(dòng)耦合加強(qiáng)。為了保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性,整機(jī)振動(dòng)特性研究得到廣泛關(guān)注。目前,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)研究中,整機(jī)建模技術(shù)、復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型高效、精確求解技術(shù)、線性/非線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析以及整機(jī)振動(dòng)控制等方面取得了豐碩的成果。然而,這些研究大多基于直接線性/非線性瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析,其僅能提供瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)振動(dòng)位移、速度、加速度、應(yīng)力以及模態(tài)振型等有限信息來預(yù)測、分析及判斷整機(jī)振動(dòng)情況。對(duì)于振動(dòng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)、靜子部件間的傳遞、耦合特性和振動(dòng)控制及抑制機(jī)理難以從本質(zhì)上給出合理的解釋。為了突破上述局限,本研究將結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)法應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域,在時(shí)域/頻域中可視化了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)轉(zhuǎn)子-支承-機(jī)匣耦合系統(tǒng)中看不見、摸不著的瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量,分析了瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量在轉(zhuǎn)子和機(jī)匣等部件間的傳遞特性和耦合規(guī)律。基于此,從瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量傳遞控制的角度研究分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件及... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)北京市

【文章頁數(shù)】：255 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

裝載于B-1B重型轟炸機(jī)上的F101-GE-102渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

micMatrixComposite，CMC）[1,2]等質(zhì)輕、耐高溫、強(qiáng)度高的纖維復(fù)合材料外，同時(shí)還要求進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)冗余度，即盡可能挖掘現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和材料的潛能[3]。高轉(zhuǎn)速大推力的總體性能方案以及低冗余度高結(jié)構(gòu)潛能的總體結(jié)構(gòu)方案使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比得到進(jìn)一步提高，但也造成以下兩方面問題：（1）轉(zhuǎn)子振動(dòng)問題突出對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中細(xì)長的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)而言，其柔性較大，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速及其模態(tài)振型分布密集。由于轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)子最低工作轉(zhuǎn)速將超過前幾階臨界轉(zhuǎn)速且難以確保工作轉(zhuǎn)速范圍與臨界轉(zhuǎn)速間的裕度滿足設(shè)計(jì)要求，如圖1-2所示。轉(zhuǎn)子在起動(dòng)、停車過程中甚至在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)將通過前幾階臨界轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)過大，影響其他轉(zhuǎn)、靜部件甚至整機(jī)的振動(dòng)水平。圖1-2高轉(zhuǎn)速柔性轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速范圍與臨界轉(zhuǎn)速分布Figure1-2Operatingspeedrangeandcriticalspeeddistributionofhigh-speedflexiblerotor（2）轉(zhuǎn)、靜子部件振動(dòng)耦合突出為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，在保證支承剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，機(jī)匣被設(shè)計(jì)的越來越薄[4]，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)重量。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，存在由多種類型激振源同時(shí)引起的振動(dòng)問題，其中最主要、最普遍的是轉(zhuǎn)子不平衡力[5]。轉(zhuǎn)子通過軸承、支板等部件支承在靜子機(jī)匣上，機(jī)匣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要的承力和傳力部件，承受并傳遞支板傳遞來的轉(zhuǎn)子不平衡力等振動(dòng)載荷。特別是對(duì)于雙（多）轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，薄壁機(jī)匣進(jìn)一步加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子間以及轉(zhuǎn)子-機(jī)匣間振動(dòng)的耦合，易引起航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的整機(jī)振動(dòng)特性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)特性研究歷來是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程中重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)。從葉片振動(dòng)特性到葉盤振動(dòng)特性，再到轉(zhuǎn)子軸系振動(dòng)特性以及機(jī)匣振動(dòng)特性，最終到航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)特性，它們

轉(zhuǎn)子模型僅允許橫向運(yùn)動(dòng)且除旋轉(zhuǎn)不平衡力外基本上不包含任何旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，但Jeffcott轉(zhuǎn)子模型揭示了轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)幅值在臨界轉(zhuǎn)速附近增大而通過后又減小的原因。此外，Jeffcott首次表明轉(zhuǎn)軸不僅圍繞其靜止位置旋轉(zhuǎn)，而且還圍繞其自身的中心線旋轉(zhuǎn)。該研究發(fā)現(xiàn)使得對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的認(rèn)知有了重大突破和進(jìn)步。早期，由于對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性認(rèn)知有限以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性求解方法尚不完善，轉(zhuǎn)子建模過程中往往忽略軸承的剛度、阻尼等特征，主要關(guān)注彈性轉(zhuǎn)子在剛性支承條件下的振動(dòng)特性。因此，在這個(gè)階段的研究對(duì)象主要為轉(zhuǎn)子軸系。圖1-3Jeffcott轉(zhuǎn)子模型[14]Figure1-3Jeffcottrotormodel[14]1.2.1.2轉(zhuǎn)子-軸承耦合系統(tǒng)1886年，英國鐵路工程師Tower[15]針對(duì)油潤滑軸承的摩擦特性開展了一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)軸承的剛度和阻尼對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性起著重要作用。然而，在此后的半個(gè)世紀(jì)中，轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的研究和發(fā)展十分緩慢。二十世紀(jì)五十年代末，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用加快了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算求解效率，Prohl[16]提出了一種轉(zhuǎn)子無阻尼臨界速度的計(jì)算方法。直到二十世紀(jì)六十年代中期，轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性[17,18]和轉(zhuǎn)子平衡[19]問題成為了研究熱點(diǎn)。二十世紀(jì)七十年代，精密軸承及其油封技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，茲待研究軸承及其油膜的剛度、阻尼對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響。這一時(shí)期的研究實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子阻尼臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算以及轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性分析[20-23]，使得轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性和穩(wěn)定性的研究得到了進(jìn)一步發(fā)展。特別是傳遞矩陣法[24]、有限單元法[25]等理論的發(fā)展和應(yīng)用，極大方便了轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速、強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的求解計(jì)算和分析。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：2917591