航空发动机刚度非线性转子动力学问题研究

【类型】学位论文

【作者】程礼 

【关键词】 航空发动机 转子动力学 裂纹 非线性 稳定性

【摘要】随着推重比的不断提高，航空发动机转子的非线性动力学问题日益凸显。本文针对航空发动机的结构特点和故障现象，以具有刚度非线性的转子动力学问题为主题沿两条主线开展研究：第一条主线深入研究了由于裂纹呼吸导致刚度非线性的转子动力学问题；第二条主线研究了某型航空发动机因刚度非线性转子导致的“双稳态”问题。取得的主要结论和成果如下：根据转轴受力、变形与转轴上裂纹开闭之间的关系，提出并构建了不受重力占优假设限制的裂纹转子动力学一般方程，解决了目前广泛使用的双线性形式的裂纹转子动力学方程的适用局限性问题，为深入开展研究奠定了理论基础。提出采用附加参考方程来综合转轴上弯曲力矩和陀螺力矩对裂纹开闭控制的方法，进一步构建了机动飞行中裂纹转子的动力学方程。基于裂纹转子动力学一般方程，采用不同强弱非线性的裂纹模型，数值研究了裂纹转子在临界转速／亚临界转速附近的稳态和瞬态动力学特性，并用实验验证了通过临界转速的动力学特性。结果揭示了裂纹转子动力学一些新的规律：裂纹会导致转子系统在临界转速附近和1/2、2/3、3/4倍临界转速附近发生失稳；在临界转速附近，裂纹的呼吸对转子具有增强稳定性的作用，在不平衡量相反时可能降低振动响应；在亚临界转速附近，裂纹会使转子的周期运动发生结构失稳，裂纹非线性的强弱程度对失稳区的形状、大小影响较大，不平衡相位角、系统阻尼比、裂纹的刚度变化比和裂纹的呼吸行为等对稳定性都有影响；由于裂纹的呼吸，裂纹转子的临界转速值不再是恒定值，而成为在开裂纹和闭裂纹转子固有频率之间变化的不平衡量相位角的函数，其中相位角约等于90°时临界转速最小，等于约270°时临界转速最大。通过飞行和地面实测振动数据分析，结合理论成果和使用经验，揭示了某型航空发动机发生振动突跳故障的原因是其高压转子系统由于非线性机制导致的“双稳态”现象。通过振动数据的时域分析、频谱分析和小波分析，确定振动跳动的两个“稳态”都是同步涡动，从而排除了所有可能导致系统呈亚同步涡动的非线性内因。经过关联分析，排除了转速变化和飞行过载这两个外因，确定了气动波动是诱发振动突跳的外因之一。根据某型航空发动机转子的结构和“双稳态”现象特点，提出并构建了具有刚度非线性的双盘转子简化模型，数值仿真得到的动力学特征与某型航空发动机实测的振动特征在三个主要方面都相符，说明简化模型是目前为止对该振动突跳故障机理最为合理的理论解释。

【学位名称】博士

【学位授予单位】西安交通大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】何正嘉

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