復雜溫度環(huán)境中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學建模與碰摩研究.pdf

1、高溫、高壓、流固耦合是航空發(fā)動機機組典型的運行環(huán)境。復雜的運行環(huán)境將使機組產(chǎn)生變形，改變部件自身與部件之間的結(jié)構(gòu)尺寸，值得人們關注。比如溫度非均勻分布產(chǎn)生的溫度內(nèi)力將使主軸產(chǎn)生熱膨脹軸向竄動，嚴重時會引發(fā)轉(zhuǎn)/靜件軸向接觸與摩擦，是影響發(fā)動機性能并滋生故障的主要因素之一，尤其對主轉(zhuǎn)子振動特性的影響，更是轉(zhuǎn)子動力學領域值得探究的重要課題，相關問題有待進一步研究與解決。
　　本文以航空發(fā)動機整機主轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其運行時復雜的溫度環(huán)境為研究背

2、景，針對復雜溫度環(huán)境中的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點與時變特性，研究了由于轉(zhuǎn)子與靜子熱膨脹系數(shù)不一致以及非均勻溫度分布的影響所導致的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤所在處的軸向熱膨脹竄動，轉(zhuǎn)/靜件軸向間隙的改變，轉(zhuǎn)/靜件盤面軸向接觸與摩擦，以及由此產(chǎn)生的彎曲振動與軸向/徑向復合碰摩等相關動力學問題。通過理論建模、數(shù)值計算與動力學特征分析相結(jié)合的方法對復雜溫度環(huán)境下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行深入的研究，其主要研究內(nèi)容與成果如下：
　　(1)針對航空發(fā)動機等旋轉(zhuǎn)機械主轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的

3、結(jié)構(gòu)非對稱性以及其運行環(huán)境溫度的復雜多變性，建立轉(zhuǎn)子主軸在非均勻溫度場中基于溫度內(nèi)力作用的竄動分析模型。對非均勻溫度場以及溫度時變性的影響進行量化，基于轉(zhuǎn)軸在連續(xù)溫度場及離散溫度場中的變形特征，分別推導了溫度內(nèi)力影響下的轉(zhuǎn)軸上指定點處的軸向熱膨脹竄動解析式。采用二次加速升溫與溫度場依Gauss分布假設對系統(tǒng)的升溫時間段與穩(wěn)定時間段進行仿真計算，并比較分析了連續(xù)溫度場與離散溫度場中的竄動變化規(guī)律，最終驗證了兩解析式的等效關系。通過分析相關

4、物理量的變化規(guī)律得出轉(zhuǎn)子主軸在復雜溫度環(huán)境下溫度內(nèi)力與轉(zhuǎn)軸變形的關系，并驗證模型的正確性、可行性與關聯(lián)性。
　　(2)以發(fā)動機轉(zhuǎn)子高溫運行環(huán)境為研究背景，結(jié)合已有的碰摩轉(zhuǎn)子動力學模型，采用集中質(zhì)量法建立了單盤轉(zhuǎn)子-軸承動力學模型，該模型考慮了轉(zhuǎn)/靜件軸向擠壓引發(fā)的面摩擦作用。隨后從轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)/靜碰摩產(chǎn)生機理出發(fā)，基于Hertz接觸理論建立了轉(zhuǎn)/靜件間的環(huán)帶面接觸摩擦力模型，用以描述軸向竄動引發(fā)的環(huán)帶面接觸與摩擦過程，并將該面摩擦作

5、用引入到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，分析了其影響。通過結(jié)構(gòu)動力學理論全面分析了不同轉(zhuǎn)/靜摩擦條件下單盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)特性，闡明了新模型對于研究分析轉(zhuǎn)子摩擦故障的可行性和可靠性。
　　(3)建立考慮非線性因素的單盤轉(zhuǎn)子-軸承動力學模型，以線性項與立方項之和來描述軸承支承以及轉(zhuǎn)軸彎曲引起的物理非線性。將轉(zhuǎn)子主軸在非均勻溫度場中由于溫度內(nèi)力影響下的竄動以及轉(zhuǎn)/靜件環(huán)帶面摩擦力引入到模型中，運用轉(zhuǎn)子動力學與非線性分析方法研究了軸向竄動引發(fā)的轉(zhuǎn)/靜盤面全周

6、摩擦力對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應的影響，以及與徑向碰摩的耦合作用。通過數(shù)值計算與分析，說明了軸向摩擦將改變整體系統(tǒng)的運動能量，使之最終表現(xiàn)為振動響應幅值與非線性動力學行為的改變。
　　(4)采用集中質(zhì)量法將主轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)近似為雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，并根據(jù)柔度影響系數(shù)法與D’Alembert原理相結(jié)合的方法建立了8自由度雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的彎曲振動動力學方程。通過熱膨脹與變形相容問題將溫度內(nèi)力對轉(zhuǎn)/靜件軸向間隙變化的影響進行量化，推導了以三溫度段近似

7、的溫度環(huán)境中兩轉(zhuǎn)盤所在處的軸向竄動表達式，并證實軸向竄動將改變雙盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使其固有頻率與彎曲剛度均受到影響。將竄動引發(fā)的面摩擦力引入到模型中，研究了不同轉(zhuǎn)盤處產(chǎn)生不同程度摩擦時對雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)振動的影響。
　　(5)針對雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學模型，運用 Lagrange方法建立了該模型在不平衡激振力以及熱膨脹變形影響下的彎扭耦合動力學方程。重點分析了扭轉(zhuǎn)振動特性，以及扭轉(zhuǎn)振動受轉(zhuǎn)盤處熱膨脹竄動與面接觸摩擦的影響。驗證