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航空发动机转子系统碰摩的非线性动力学研究

张华彪  
【摘要】:近年来,为了提高航空发动机的推重比和效率,旋转部件与静止部件之间的间隙被设计得越来越小,从而使得系统发生碰摩的可能性越来越大。严重的碰摩可能导致叶片断裂、转子失稳,造成严重的运行事故。 本文对航空发动机转子系统碰摩的非线性动力学进行研究,以期为航空发动机转子系统的设计提供一定的理论依据,主要工作如下: 考虑具有非线性刚度的单盘转子的碰摩,将约束分岔理论首次应用到转子同步全周碰摩的研究中,讨论了参数对系统在升降速过程中的跳跃现象的影响,给出了对应不同分岔形式的参数域;对同步全周碰摩运动的稳定性进行分析,给出了参数平面上同步全周碰摩运动的稳定区域和分岔边界;并讨论了同步全周碰摩失稳后系统可能出现的动力学行为。 研究了非线性转子系统的反向全周碰摩,通过数值计算结果和国外实验结果的对比说明了在反向全周碰摩研究中考虑转子系统非线性刚度的必要性;给出了非线性转子反向全周碰摩的解析解,利用Floquet理论分析了反向全周碰摩解的稳定性;讨论了系统参数对反向全周碰摩振幅、频率、存在性和发生的临界条件的影响,给出了系统参数-转速平面上不同动力学行为的转迁;发现非线性转子系统不仅存在由摩擦力方向改变引起的反向全周碰摩,同时转子的非线性刚度也会导致系统出现一种新的反向全周碰摩运动,这种新的反向全周碰摩运动是稳定的周期运动。研究了非线性转子系统突加不平衡的瞬态响应和稳态响应;给出了参数-转速平面上系统稳态响应的转迁和系统在突加不平衡之后降速过程中不发生失稳的参数域。 根据航空发动机转子的特点,将航空发动机转子简化为弹性支承的刚性偏置转子,利用拉格朗日方程建立了系统的运动方程,采用两状态变量约束分岔理论和李雅普诺夫稳定性理论研究了系统同步全周碰摩的分岔和稳定性。研究了弹性支承的刚性偏置转子的反向全周碰摩,讨论了系统参数对反向全周碰摩振幅和频率的影响。 考虑航空发动机的主要结构特点,包括双转子-中介轴承结构、非线性的弹性支承、结构不对称引起的陀螺效应、空心转轴,建立了航空发动机双转子-机匣耦合系统动力学模型;求解了系统的临界转速和振型,讨论了支承参数和转速比对临界转速和振型的影响。计算了双转子-机匣耦合系统的碰摩响应,发现系统在轻微碰摩时振幅会出现多次跳跃现象;双转子同向旋转轻微碰摩时,系统的响应中将出现双转子转动频率的组合频率成分,而双转子反向旋转时则不会出现频率成分的组合;在严重碰摩时,系统可能出现反向全周碰摩响应,双转子系统的反向全周碰摩从运动形式上看和单转子系统是相同的;研究了不平衡量对工作转速下振幅的影响,发现双转子反向旋转较同向旋转更容易发生自激振动失稳。计算了双转子-机匣耦合系统的突加不平衡响应,给出了系统稳态响应随突加不平衡量变化的分岔图;发现同向旋转时系统的稳态响应形式有:周期运动、概周期运动和自激振动失稳,而反向旋转时系统不会发生自激振动失稳。


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