基于结构声强可视化的航空发动机转子-支承-机匣耦合系统振动能量传递特性研究
发布时间：2020-12-15 03:44
航空发动机作为最复杂的旋转机械,同时受到转子不平衡力等多种载荷的激励作用,部件及整机振动问题突出。为了进一步提高推重比,航空发动机向轻量化、大推力的方向发展,导致转子振动情况恶化以及转、静子部件间振动耦合加强。为了保障航空发动机运行的安全性和可靠性,整机振动特性研究得到广泛关注。目前,在航空发动机整机动力学研究中,整机建模技术、复杂动力学模型高效、精确求解技术、线性/非线性动力学响应分析以及整机振动控制等方面取得了丰硕的成果。然而,这些研究大多基于直接线性/非线性瞬态及稳态动力学响应分析,其仅能提供瞬态/稳态振动位移、速度、加速度、应力以及模态振型等有限信息来预测、分析及判断整机振动情况。对于振动在航空发动机各转、静子部件间的传递、耦合特性和振动控制及抑制机理难以从本质上给出合理的解释。为了突破上述局限,本研究将结构声强法应用到航空发动机整机动力学研究领域,在时域/频域中可视化了航空发动机整机转子-支承-机匣耦合系统中看不见、摸不着的瞬态/稳态振动能量,分析了瞬态/稳态振动能量在转子和机匣等部件间的传递特性和耦合规律。基于此,从瞬态/稳态振动能量传递控制的角度研究分析了航空发动机部件及...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：255 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
装载于B-1B重型轰炸机上的F101-GE-102涡扇发动机
micMatrixComposite，CMC）[1,2]等质轻、耐高温、强度高的纤维复合材料外，同时还要求进一步减小结构部件的设计冗余度，即尽可能挖掘现有结构和材料的潜能[3]。高转速大推力的总体性能方案以及低冗余度高结构潜能的总体结构方案使得航空发动机的推重比得到进一步提高，但也造成以下两方面问题：（1）转子振动问题突出对于航空发动机中细长的转子结构而言，其柔性较大，转子临界转速及其模态振型分布密集。由于转速较高，转子最低工作转速将超过前几阶临界转速且难以确保工作转速范围与临界转速间的裕度满足设计要求，如图1-2所示。转子在起动、停车过程中甚至在工作转速范围内将通过前几阶临界转速而导致转子振动过大，影响其他转、静部件甚至整机的振动水平。图1-2高转速柔性转子的工作转速范围与临界转速分布Figure1-2Operatingspeedrangeandcriticalspeeddistributionofhigh-speedflexiblerotor（2）转、静子部件振动耦合突出为了提高航空发动机的推重比，在保证支承刚度和结构强度满足设计要求的前提下，机匣被设计的越来越薄[4]，以减轻发动机整机重量。航空发动机作为一种旋转机械，存在由多种类型激振源同时引起的振动问题，其中最主要、最普遍的是转子不平衡力[5]。转子通过轴承、支板等部件支承在静子机匣上，机匣作为航空发动机主要的承力和传力部件，承受并传递支板传递来的转子不平衡力等振动载荷。特别是对于双（多）转子航空发动机而言，薄壁机匣进一步加强了转子-转子间以及转子-机匣间振动的耦合，易引起航空发动机复杂的整机振动特性。航空发动机整机振动特性研究历来是发动机研发过程中重点关注的环节。从叶片振动特性到叶盘振动特性，再到转子轴系振动特性以及机匣振动特性，最终到航空发动机整机振动特性，它们
转子模型仅允许横向运动且除旋转不平衡力外基本上不包含任何旋转效应，但Jeffcott转子模型揭示了转子的涡动幅值在临界转速附近增大而通过后又减小的原因。此外，Jeffcott首次表明转轴不仅围绕其静止位置旋转，而且还围绕其自身的中心线旋转。该研究发现使得对转子动力学特性的认知有了重大突破和进步。早期，由于对转子振动特性认知有限以及转子动力学特性求解方法尚不完善，转子建模过程中往往忽略轴承的刚度、阻尼等特征，主要关注弹性转子在刚性支承条件下的振动特性。因此，在这个阶段的研究对象主要为转子轴系。图1-3Jeffcott转子模型[14]Figure1-3Jeffcottrotormodel[14]1.2.1.2转子-轴承耦合系统1886年，英国铁路工程师Tower[15]针对油润滑轴承的摩擦特性开展了一项重要实验，研究发现轴承的刚度和阻尼对转子动力学特性起着重要作用。然而，在此后的半个世纪中，转子-轴承系统动力学特性的研究和发展十分缓慢。二十世纪五十年代末，电子计算机技术的发展和应用加快了结构动力学的计算求解效率，Prohl[16]提出了一种转子无阻尼临界速度的计算方法。直到二十世纪六十年代中期，转子-轴承系统的稳定性[17,18]和转子平衡[19]问题成为了研究热点。二十世纪七十年代，精密轴承及其油封技术在航空发动机上得到了广泛应用，兹待研究轴承及其油膜的刚度、阻尼对转子动力学特性的影响。这一时期的研究实现了转子阻尼临界转速的计算以及转子-轴承系统的全局稳定性分析[20-23]，使得转子-轴承系统动力学特性和稳定性的研究得到了进一步发展。特别是传递矩阵法[24]、有限单元法[25]等理论的发展和应用，极大方便了转子-轴承系统的临界转速、强迫振动响应以及系统稳定性的求解计算和分析。
【参考文献】：
期刊论文
[1]小波阈值降噪技术对OPAX方法的改进研究[J]. 潘公宇,朱瑞. 噪声与振动控制. 2019(03)
[2]不同车辆-轨道垂向动力学模型功率流传递特性研究[J]. 徐宁,任尊松,薛蕊,李强. 铁道学报. 2019(05)
[3]基于结构声强法的机匣振动能量传递特性[J]. 马英群,徐蒙,张锴,赵巍,赵庆军. 航空学报. 2019(09)
[4]蜗壳脉动压力作用下抽水蓄能电站的振动路径研究[J]. 张鹏,宋志强. 水资源与水工程学报. 2019(02)
[5]不同激励下双层底振动传递特性研究[J]. 何鹏,向阳,郭宁,张冠军,姜超君. 噪声与振动控制. 2019(01)
[6]一种多支撑隔振系统传递功率流测试方法[J]. 王骁,王敏庆,王婷,赵璇. 噪声与振动控制. 2019(01)
[7]液压管路振动功率流传递路径分析[J]. 安晨亮,马金玉,张青松,权凌霄. 噪声与振动控制. 2018(06)
[8]多重激励下机匣振动能量传递规律与耦合特性[J]. 马英群,张锴,徐蒙,赵巍,赵庆军. 推进技术. 2019(06)
[9]高温环境船舶基座振动功率流特性研究[J]. 朱越,吴乙万,白鸿柏,邵一川,张培林. 机械科学与技术. 2019(08)
[10]不平衡激励作用下周向加肋机匣振动能量传递机理[J]. 马英群,张锴,王云飞,赵巍,赵庆军. 航空动力学报. 2018(11)
博士论文
[1]基于深度自编码器的机械故障诊断方法研究[D]. 张玉彦.华中科技大学 2019
[2]基于传递路径分析方法的车内低频结构噪声识别与控制[D]. 徐猛.天津大学 2014
[3]基于声强可视化的船舶结构声振能量特性研究[D]. 李凯.大连理工大学 2011
本文编号：2917591
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：255 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
装载于B-1B重型轰炸机上的F101-GE-102涡扇发动机
micMatrixComposite，CMC）[1,2]等质轻、耐高温、强度高的纤维复合材料外，同时还要求进一步减小结构部件的设计冗余度，即尽可能挖掘现有结构和材料的潜能[3]。高转速大推力的总体性能方案以及低冗余度高结构潜能的总体结构方案使得航空发动机的推重比得到进一步提高，但也造成以下两方面问题：（1）转子振动问题突出对于航空发动机中细长的转子结构而言，其柔性较大，转子临界转速及其模态振型分布密集。由于转速较高，转子最低工作转速将超过前几阶临界转速且难以确保工作转速范围与临界转速间的裕度满足设计要求，如图1-2所示。转子在起动、停车过程中甚至在工作转速范围内将通过前几阶临界转速而导致转子振动过大，影响其他转、静部件甚至整机的振动水平。图1-2高转速柔性转子的工作转速范围与临界转速分布Figure1-2Operatingspeedrangeandcriticalspeeddistributionofhigh-speedflexiblerotor（2）转、静子部件振动耦合突出为了提高航空发动机的推重比，在保证支承刚度和结构强度满足设计要求的前提下，机匣被设计的越来越薄[4]，以减轻发动机整机重量。航空发动机作为一种旋转机械，存在由多种类型激振源同时引起的振动问题，其中最主要、最普遍的是转子不平衡力[5]。转子通过轴承、支板等部件支承在静子机匣上，机匣作为航空发动机主要的承力和传力部件，承受并传递支板传递来的转子不平衡力等振动载荷。特别是对于双（多）转子航空发动机而言，薄壁机匣进一步加强了转子-转子间以及转子-机匣间振动的耦合，易引起航空发动机复杂的整机振动特性。航空发动机整机振动特性研究历来是发动机研发过程中重点关注的环节。从叶片振动特性到叶盘振动特性，再到转子轴系振动特性以及机匣振动特性，最终到航空发动机整机振动特性，它们
转子模型仅允许横向运动且除旋转不平衡力外基本上不包含任何旋转效应，但Jeffcott转子模型揭示了转子的涡动幅值在临界转速附近增大而通过后又减小的原因。此外，Jeffcott首次表明转轴不仅围绕其静止位置旋转，而且还围绕其自身的中心线旋转。该研究发现使得对转子动力学特性的认知有了重大突破和进步。早期，由于对转子振动特性认知有限以及转子动力学特性求解方法尚不完善，转子建模过程中往往忽略轴承的刚度、阻尼等特征，主要关注弹性转子在刚性支承条件下的振动特性。因此，在这个阶段的研究对象主要为转子轴系。图1-3Jeffcott转子模型[14]Figure1-3Jeffcottrotormodel[14]1.2.1.2转子-轴承耦合系统1886年，英国铁路工程师Tower[15]针对油润滑轴承的摩擦特性开展了一项重要实验，研究发现轴承的刚度和阻尼对转子动力学特性起着重要作用。然而，在此后的半个世纪中，转子-轴承系统动力学特性的研究和发展十分缓慢。二十世纪五十年代末，电子计算机技术的发展和应用加快了结构动力学的计算求解效率，Prohl[16]提出了一种转子无阻尼临界速度的计算方法。直到二十世纪六十年代中期，转子-轴承系统的稳定性[17,18]和转子平衡[19]问题成为了研究热点。二十世纪七十年代，精密轴承及其油封技术在航空发动机上得到了广泛应用，兹待研究轴承及其油膜的刚度、阻尼对转子动力学特性的影响。这一时期的研究实现了转子阻尼临界转速的计算以及转子-轴承系统的全局稳定性分析[20-23]，使得转子-轴承系统动力学特性和稳定性的研究得到了进一步发展。特别是传递矩阵法[24]、有限单元法[25]等理论的发展和应用，极大方便了转子-轴承系统的临界转速、强迫振动响应以及系统稳定性的求解计算和分析。
【参考文献】：
期刊论文
[1]小波阈值降噪技术对OPAX方法的改进研究[J]. 潘公宇,朱瑞. 噪声与振动控制. 2019(03)
[2]不同车辆-轨道垂向动力学模型功率流传递特性研究[J]. 徐宁,任尊松,薛蕊,李强. 铁道学报. 2019(05)
[3]基于结构声强法的机匣振动能量传递特性[J]. 马英群,徐蒙,张锴,赵巍,赵庆军. 航空学报. 2019(09)
[4]蜗壳脉动压力作用下抽水蓄能电站的振动路径研究[J]. 张鹏,宋志强. 水资源与水工程学报. 2019(02)
[5]不同激励下双层底振动传递特性研究[J]. 何鹏,向阳,郭宁,张冠军,姜超君. 噪声与振动控制. 2019(01)
[6]一种多支撑隔振系统传递功率流测试方法[J]. 王骁,王敏庆,王婷,赵璇. 噪声与振动控制. 2019(01)
[7]液压管路振动功率流传递路径分析[J]. 安晨亮,马金玉,张青松,权凌霄. 噪声与振动控制. 2018(06)
[8]多重激励下机匣振动能量传递规律与耦合特性[J]. 马英群,张锴,徐蒙,赵巍,赵庆军. 推进技术. 2019(06)
[9]高温环境船舶基座振动功率流特性研究[J]. 朱越,吴乙万,白鸿柏,邵一川,张培林. 机械科学与技术. 2019(08)
[10]不平衡激励作用下周向加肋机匣振动能量传递机理[J]. 马英群,张锴,王云飞,赵巍,赵庆军. 航空动力学报. 2018(11)
博士论文
[1]基于深度自编码器的机械故障诊断方法研究[D]. 张玉彦.华中科技大学 2019
[2]基于传递路径分析方法的车内低频结构噪声识别与控制[D]. 徐猛.天津大学 2014
[3]基于声强可视化的船舶结构声振能量特性研究[D]. 李凯.大连理工大学 2011
本文编号：2917591
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