航空发动机叶片和转子气流激励下非线性动态响应研究

【类型】学位论文

【作者】韩刚 

【关键词】 叶片颤振 非线性强迫共振 安装间隙 转子位移激励 呼吸裂纹 篦齿密封双转子系统

【摘要】转子和叶片是航空发动机的部分关键部件。高速旋转的转子带动叶片对气体做功,提高气体压力的同时,会引发转子和叶片强烈的振动,而转子和叶片的振动又是二者疲劳失效的主要原因之一。转子和叶片工作的同时面临着气流激励和机械激励等多种载荷的共同作用,又由于转子和叶片系统存在着安装的间隙、裂纹、几何非线性等许多非线性因素,使得转子和叶片的振动往往表现出复杂的非线性动力学现象,例如颤振、主共振、联合共振、分岔等。这些复杂的动力学现象对转子和叶片的动力学参数设计与优化,振动的抑制都提出更高的要求。文献中对这类问题虽有涉及,但仍显不足。本文在实际的物理参数域内,探讨转子和叶片在气流激振下,颤振发生、发展的机理和演变规律,以及在转子位移激励下,含间隙、裂纹等非线性因素的叶片主共振和联合共振响应的转迁规律。具体内容如下:压气机叶片与转毂之间采用榫槽(如燕尾槽)联接是其主要的联接形式,而这种联接形式会使叶片弯曲振动的恢复力表现为分段线性特征。本文考虑到这种间隙非线性以及扭转几何三次非线性,研究了在非定常、不可压缩、不可分离流作用下叶片的弯扭耦合颤振。利用罗茨准则求解了线性失稳的气流速度临界阚值和系统Hopf分岔解的稳定性,采用平均法得到了Hopf分岔极限环响应解。分析结果表明:由于间隙的存在,叶片颤振表现为“双临界”的Hopf分岔现象;间隙的减小或消除,会使颤振后的极限环幅值相应的减小或消失,同时颤振形式由“双临界”的Hopf分岔转变为超临界的Hopf分岔,提高了叶片振动的平稳性;未耦合的线性弯曲与扭转固有频率比,以及扭转的非线性刚度系数对颤振发生后的幅值影响较大,可以通过改变这两个参数达到抑制颤振幅值的作用,防止叶片断裂破坏。在不同的气动参数下,气流对间隙叶片会形成不同的扰流状态(如定常流、非定常流),不同扰流状态会对叶片的弯扭耦合振动行为产生不同影响。在考虑定常流以及转子横向位移激励的作用下,进一步研究间隙叶片的弯扭耦合主共振响应,利用平均法获得一阶主共振的分岔方程。基于奇异性理论的转迁集定义,在实际的物理参数域内,给出分岔拓扑结构的转迁集和保持域内的分岔图。分析结果表明:叶片与转毂间的安装间隙是产生约束分岔的根源,而转子位移激励幅值和扭转非线性刚度比,又是使系统分岔拓扑结构发生改变的重要物理参数。压气机叶片受到动载荷的作用,会产生疲劳裂纹。在转子位移激励下,研究呼吸裂纹叶片的联合共振响应对叶片裂纹的故障检测具有现实意义。本文采用伽辽金法建立了单自由度的叶片系统模型,在呼吸裂纹的变刚度参数激励与转子位移外激励联合作用下,利用多尺度法导出叶片联合共振的响应一阶近似方程,分析了裂纹的开合深度、裂纹所在截面的位置以及转子在垂直与水平方向上的位移幅值差对幅频响应的影响。结果表明:裂纹的开合深度、裂纹所在截面的位置的变化改变参激幅值,从而改变共振区幅值的分岔性态。位移激励幅值变化会引起共振峰幅值大小,共振区的范围以及共振峰的滞后趋势的变化。篦齿封严结构是航空发动机的主要的无接触密封结构。该结构对航空发动机内的二次流密封的同时,密封中的气流载荷会引发转子系统的失稳,使转子的动态稳定性遭到破坏。本文考虑高压鼓筒篦齿密封的气动载荷对实际双转子系统作用,利用数值方法研究了篦齿密封双转子耦合系统的颤振响应。给出了双转子耦合系统颤振发生、发展随密封结构的气动参数以及双转子系统的各种支承刚度的变化规律,最终分析结果表明:密封进口周向气流预旋速度比是引发系统颤振的主要气动参数。

【学位名称】博士

【学位授予单位】哈尔滨工业大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】陈予恕

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