[发明专利]一种涡轴发动机气动连接多转子耦合振动分析方法

说明书

本发明公开了一种涡轴发动机气动连接多转子耦合振动分析方法，属于航空发动机振动分析领域。针对涡轴发动机燃气发生器转子与自由涡轮转子间无机械连接关系，无法准确获得各转子间转速比，以及自由涡轮转子并非典型的转子‑轴承‑机匣支承形式的问题。本发明利用一元线性回归分析方法将发动机典型试车转速曲线进行分段处理，得到一元分段函数作为转速比计算依据；采用转子‑轴承/减速齿轮‑机匣模型对发动机转子系统进行振动响应分析，提取转子叶轮外表面振动幅值和典型工况振型进行分析。该方法综合考虑发动机运转工况及涡轴发动机的结构特点，可有效准确的分析涡轴发动机在运行中转子系统的振动响应情况。

技术领域

本发明设计航空发动机气动连接多转子即非机械连接多转子的振动分析领域，具体而言是一种利用ANSYS有限元软件对航空涡轴发动机进行多转子-轴承/减速齿轮-机匣模型耦合计算分析方法。

背景技术

航空发动机转子系统作为航空发动机的主要振动源，无论是设计定型还是健康管理，都是重点研究对象。对于涡轴发动机，由于其相对于涡扇发动机具有体积小、转子转速高等特点，其转子通常工作在二阶临界转速或者更高阶临界转速之上，转子呈现绝对柔性。然而由于发动机转子系统结构复杂，包括转轴、联轴器、圆盘、叶片等结构，多转子转速比不衡为定值，且转子轴承外多采用挤压油膜阻尼器、鼠笼弹性支承等结构，发动机机匣的薄壁结构刚性不强等原因，发动机转子实际支承刚度和阻尼难以准确确定，因此转子系统振动状态也不能准确确定。国内外各研究机构对转子系统分别采用了传递矩阵法、有限元法、简化实物模型实验法等方法对转子-轴承-机匣结构进行了计算，得到了转子的临界转速、稳态响应等动力学特征。但是由于模型简化严重、机匣刚度换算准确度低、涡轴发动机减速齿轮与转子咬合接触存在支承刚度等原因，对涡轴发动机转子系统适用性较差。另外，涡轴发动机在运行过程中，燃气发生器转子系统与自由涡轮转子系统依靠气体动力维持彼此相对转速关系，因此在计算和分析转子系统振动状态时不能简单使用发动机工况点处的转速比定义转子系统转速关系。

发明内容

针对上述涡轴发动机转子-轴承/减速齿轮-机匣的特殊支承结构和多转子无机械连接转速比非恒定等问题，本发明采用一种基于有限元仿真环境的涡轴发动机气动连接多转子耦合振动分析方法，其特征包括以下步骤：

首先，采用一元线性回归分析方法对发动机典型试车转速曲线进行分段分解，将得到的两个或多个一元线性分段函数之比作为气动连接多转子转速比；

优选地，采用转子-轴承/减速齿轮-机匣模型对转子系统进行转子动力学特征分析。具体的为利用UG等三维建模软件对发动机转子-轴承/减速齿轮-机匣系统进行建模，其中燃气涡轮与自由涡轮只保留涡轮盘，涡轮转子叶片等效为质量点位于轮盘圆柱外表面，质心位于涡轮盘轴中心。转子支承轴承暂不予建模，主减速齿轮简化为节圆接触，简化转子联轴器螺栓、分段机匣连接处螺栓为面紧固接触；

针对涡轮盘由于实际结构包括多道沟槽和部分非对称结构孔等，不利于有限原网格划分和计算，又因为在计算中实际计算的是质量与转动惯量，因此采用等效质量与转动惯量的方法将非对称盘转化为对称模型。采用是实心圆柱进行等效的转动惯量计算如下：

圆柱的质量，

M＝πR²Lρ  (3)

将(3)变形，得到

将(3)带入(1)，(2)中，变形后，得：

式中，圆柱半径为R，高度为L，密度为ρ，联立求解(4)(5)(6)可解得L，R，ρ的值，从而将不规则的叶轮盘等效为规则的圆柱体，方便网格的划分。