基于雙轉子簡化動力學模型設計的航空發動機仿真試驗臺的制作方法
【專利說明】
[0001]
技術領域： 本發明設及一種基于雙轉子簡化動力學模型設計的航空發動機仿真試驗臺，特別應用 于不帶有旋臂圓盤的航空發動機轉子的航空發動機仿真試驗。
[000引【背景技術】： 轉子系統是航空發動機的核屯、結構，雙轉子結構是現代航空發動機采用的主要結構形 式，指高壓轉子和低壓轉子通過中介軸承聯接在一起的結構。研究航空發動機雙轉子系統 的動力學特性，離不開合理簡化的動力學模型。陳予恕等[1]對航空發動機整機動力學進 行了綜述與展望，指出針對航空發動機的結構和工作特點建立合適的簡化模型，通過簡化 模型定性研究一些重要參數對系統運動行為的規律性影響對航空發動機系統的設計優化 和動態行為的控制有重要的意義。雙轉子系統的支承形式、輪盤參數、轉軸參數等都對雙轉 子動力學模型的建立十分重要，支承結構對系統的動力學特性影響尤其關鍵。不同型號的 發動機有著不同的支承形式，CMF56發動機采用低壓轉子為0-2-1、高壓轉子為1-0-1的5 支點支承形式，斯貝發動機采用低壓轉子為1-2-1、高壓轉子為1-2-0的7個支點支承形式。
[0003] 在工程計算中，基于商用有限元軟件對雙轉子系統或整機系統進行超大自由度的 有限元建模分析是常用的方法。王國麗等建立了五點支承的雙轉子-支承系統和高壓滿 輪-機厘碰摩的Ξ維有限元模型，計算分析雙轉子系統在碰摩-不平衡故障下的軸承支反 力；廖輝等利用有限元軟件ANSl^建立簡易四支承雙轉子系統的有限元模型，模型中高低 壓轉子均采用雙盤，并分別求出內轉子和外轉子為主激勵的臨界轉速及主振型；張力等針 對現代航空滿扇發動機轉子系統的結構和力學特征，運用有限元法對低壓轉子進行了有限 元建模方法和動力特性研究。有限元軟件建立的模型結構復雜，適合用于線性振動特性的 定量計算，但對于非線性問題的定量分析計算效率較低，定性分析難W實現。因此，建立符 合實際結構，并能有效地用于計算分析的雙子動力學模型十分關鍵。
[0004] 在理論計算和機理分析研究中，建立低自由度的雙轉子動力學簡化離散模型是十 分必要的，合理的簡化模型是研究的關鍵。莫延歲、李全通針對某六點支承的雙轉子航空發 動機的動力學特性問題展開研究，將葉片的參數等效成輪盤，建立較多輪盤多支承的雙轉 子系統數學計算模型，W傳遞矩陣法為基礎，對其動力學特性進行理論計算。陳果用有限元 法建立了實際的雙轉子航空發動機的整機振動模型，在雙轉子-支承系統部分，采用了屯 支點形式，模型中高、低壓轉子系統的輪盤均簡化為雙盤，在對整機振動系統實驗驗證時采 用了單跨Ξ盤模型。李朝峰采用有限元法建立了五點支承的雙轉子一軸承系統的動力學模 型，高、低壓轉子系統的輪盤均簡化為雙盤。胡細等研究了航空發動機雙轉子系統反向旋轉 穩態響應，模型中雙子系統的高低壓轉子的輪盤均簡化為單輪盤。
[000引
【發明內容】
： 本發明的目的是提供一種基于雙轉子簡化動力學模型設計的航空發動機仿真試驗臺。
[0006] 上述的目的通過W下的技術方案實現： 一種基于雙轉子簡化動力學模型設計的航空發動機仿真試驗臺，其組成包括：試驗臺 機架，所述的機架采用6點支承的結構支撐低壓轉軸和套在低壓轉軸外側的高壓轉軸，所 述的高壓轉軸采用1-0-1的軸承分布方式進行支承，所述的低壓轉軸采用1-2-1的軸承分 布方式進行支承，所述的高壓轉軸的一端與所述的低壓轉軸連接的軸承是中介軸承，對于 模型轉子的設計，首先采用有限元法建立多輪盤的復雜離散動力學模型，然后基于質屯、集 中方法對該模型進行了簡化，雙轉子系統中的輪盤簡化方法可W采用W下兩種方式中的任 意一種： (1) 考慮系統的運動為橫向彎曲振動，將高壓壓氣機各級輪盤集中到高壓壓氣機輪盤 的質屯、位置，得到輪盤1，簡化后輪盤1的參數為：
：將低壓 壓氣機各級輪盤集中到低壓壓氣機輪盤的質屯、位置，得到輪盤3,簡化后輪盤3的參數為：
:將高壓滿輪輪盤集中到高壓滿輪輪盤的質屯、位置，得到輪盤 2,簡化后輪盤2的參數為：
；將低壓滿輪輪盤集中到低壓滿輪輪 盤的質屯、位置，得到輪盤4,簡化后輪盤4的參數為
(2) 考慮系統的運動為橫向彎曲振動，將高壓轉子系統的所有輪盤集中集中簡化到 高壓轉子系統的質屯、位置，得到輪盤1，簡化后輪盤1的參數為：
將低壓壓氣機各級輪盤集中到低壓壓氣機輪盤的質屯、位置，得到輪盤3,簡化后 輪盤3的參數為
；將低壓滿輪輪盤集中到低壓滿輪輪盤的質 屯、位置，得到輪盤4,簡化后輪盤4的參數為
上述各輪盤參數由實際的航空發動機雙轉子的實際參數得到，獲得本試驗臺臨界轉速 的方法如下所述： 根據轉子動力學知識分別分析高壓轉子系統和低壓轉子系統的剛性輪盤、軸段單元及 支承的運動，采用有限單元法，由Lagrange方程可得高壓轉子系統和低壓轉子系統的運動 微分方程分別為：
為高壓轉子系統的質量矩陣、剛度矩陣和回轉矩陣，由高壓轉子的剛性輪 盤、軸段單元及支承單元相對應的單元矩陣組裝而成；為低壓轉子系統的質 量矩陣、剛度矩陣和回轉矩陣，由低壓轉子的剛性輪盤、軸段單元及支承單元相對應的單元 矩陣組裝而成；此轉子系統轉子長徑比較小，故采用Timoshenko梁-軸單元，娜日Z分別是 高壓轉子系統和低壓轉子系統的節點數，游2分別為高壓轉子和低壓轉子自轉角速度， 令碎，(從<1)，級為轉速比，表示低壓轉子轉速和高壓轉子轉速之比； 高壓轉子和低壓轉子通過中介軸承的連接組成雙轉子系統，由方程（1)-(4)可得
其中，與和巧J雙轉子系統中中介軸承節點處對應的高壓轉子節點和低壓轉 子節點； 令，
方程（5)和化） 可W寫成
系統低壓轉子系統完好不存在不平衡激勵，高壓轉子系統存在不平衡激勵，即W高壓 轉子為主激勵，方程（7)的解可寫成
頻率方程為：
根據式（10)可求得當繳，即同向轉動w高壓轉子為主激勵時雙轉子系統的臨界 轉速； 當高壓轉子系統完好不存在不平衡激勵，低壓轉子系統存在不平衡激勵，即W低壓轉 子為主激勵，可求得當〇2=ω，同向轉動W低壓轉子為主激勵時雙轉子系統的臨界轉速；當 高壓轉子和低壓轉子對向轉動時，可求得當〇2=ω，對向轉動W高壓轉子為主激勵時雙轉 子系統的臨界轉速 有益效果： 本發明針對某型航空發動機雙轉子系統，基于有限元法建立了系統的復雜離散動力學 模型，基于質屯、集中的原則對該模型在結構上進行了簡化降維，得到了四輪盤雙轉子簡化 模型和Ξ輪盤雙轉子簡化模型。采用Timoshenko梁-軸單元，在同向轉動和對向轉動工況 下進行了臨界轉速及誤差的計算，結果表明采用質屯、集中的簡化方法將轉子系統的復雜模 型簡化為低自由度的簡單模型的定量誤差是可W接受的，運是一種從結構特點將實際多盤 雙轉子系統簡化成較少盤雙子系統的方法。
[0007] )簡化得到的四輪盤雙轉子簡化模型，前四階相應臨界轉速誤差較小，可W很好的 保有原系統的動力學特性，說明采用質屯、集中的簡化方法可將復雜離散模型簡化為較低自 由度的簡化模型。結果表明，考慮轉子結構非線性、故障等因素時，在柔性支承和剛性支承 工況下，均可采用16自由度的四輪盤雙轉子非線性模型，某些情況下若不考慮巧螺效應， 則可簡化為8自由度的Ξ輪盤雙轉子非線性模型。
[0008] )簡化得到的Ξ輪盤雙轉子簡化模型，在柔性支承下，前Ξ階相應臨界轉速誤差在 15%之內，可W較好的保有原系統的動力學特性。表明，考慮轉子結構非線性、故障等因素 時，在柔性支承工況下，可采用12自由度的Ξ輪盤雙轉子非線性模型，某些情況下若不考 慮巧螺效應，則可簡化為6自由度的Ξ輪盤雙轉子非線性模型。
[0009] 本發明是一種從結構上將實際多輪盤雙轉子簡化成少輪盤雙轉子的航空發動機 仿真試驗臺，大大降低了雙轉子系統的自由度，有利于在考慮到故障、支承等非線性因素后 理論計算分析；可四輪盤雙轉子簡化動力學模型和Ξ輪盤雙轉子簡化動力學模型的設 計方案搭建航空發動機雙轉子結構的仿真試驗臺。
[0010]
【附圖說明】： 圖1是本發明的一種基于航空發動機雙轉子系統簡化動力學模型設計的航空發動機 仿真試驗臺。圖中，阿拉伯數字1-11表示用有限元建模的節點，表示實際發動機雙轉子軸 承位置、輪盤位置，其中，1、4 (9)、5、7、8、11表示6個軸承的位置，4 (9)是中介軸承位置； 其他各節點2是高壓壓氣機多級輪盤集中簡化后(簡化為輪盤1)的位置，3是高壓壓氣機 滿輪輪盤(輪盤2)的位置；6是四級低壓壓氣機輪盤集中簡化后(簡化為輪盤3)的位置，10 是低壓滿輪輪盤(輪盤4)的位置。
[0011] 圖2是本發明的另一種基于航空發動機雙轉子系統簡化動力學模型設計的航空 發動機仿真試驗臺。圖中，阿拉伯數字1-10表示用有限元建模的節點，表示實際發動機雙 轉子軸承位置、輪盤位置，其中，1、3 (8)、4、6、7