考虑振动-冲击-摩擦的旋转叶片动力学特性研究

• 作者: 刘尊旭 李学军 沙云东 王娇 王相平 陈玉刚 韩清凯
• 来源期刊: 数字制造科学
• 关键词: 航空发动机 数字设计 叶片动力学特性 自带冠叶片(ISB) 叶片-盘组合结构(BD) 机匣 离心刚化效应 悬臂梁解析模型(CB-AM) 动频率 Euler-Bernoulli梁有限元模型(EBB-FEM) 干摩擦阻尼 叶片盘质点模型(BD-PMM) 机匣质点模型(C-PMM) 叶片-机匣碰摩AASpl
• 年，卷（期）: 2012,（1）
• 页码范围: 1-76,前插1-前插19
• 页数: 77页
• 字数: 45195字
• 语种: 中文

摘要

在中国国家重点基础研究发展计划(973计划)项目《高端压缩机组高效可靠及智能化基础研究》,中国国家自然科学基金资助项目《弹性支承多转子系统的不对中建模与振动分析》,以及中央高校基本科研业务费专项资金资助项目《盘片榫联结构的接触分析与减振措施的研究》,以及其它相关课题的共同资助下,通过理论推导、模型建构和数值仿真,进行考虑振动、冲击和摩擦的航空发动机旋转叶片动力学特性研究,提出研究报告.抽象出航空发动机叶片、轮盘和机匣的主要结构;重组了叶片振动特性分析基本理论框架(包括叶片振动类型与振型,静频率和动频率,激振力来源与表示方式,强迫振动响应分析);对自带冠叶片(ISB)的叶冠之间或叶片与机匣之间发生相互接触碰撞后,频谱图中出现激振力频率(又称工频)及其倍频等现象进行定性分析,发现当发生单侧碰撞、双侧对称碰撞和双侧非对称碰撞时,频谱图上会对应呈现出不同的倍频特征:单侧碰撞时在频谱图中会出现工频及其连续奇偶次倍频,且随着倍次的增加其幅值分量逐渐减小;发生双侧对称碰撞时在频谱图中会出现工频及其奇次倍频,且随着奇次倍数的增加其幅值分量逐渐减小;发生双侧非对称碰撞后会出现工频及其连续奇偶次倍频,且偶次倍频分量的幅值小于相邻前一奇次倍频分量.考虑叶片随轮盘旋转产生的离心刚化效应,采用悬臂梁解析模型(CB-AM)推导出叶片动频、静频与转频之间的关系,以及动频系数的数学表达式;采用基于Euler-Bernoulli梁的有限元模型(EBB-FEM),推导出离心刚化效应产生的离心刚度矩阵;采用CB-AM,EBB-FEM,以在ANSYS中的Timoshenko梁有限元模型(TB-FEM),运用数值计算方法研究旋转态下叶片的固有特性;对比CB-AM,EBB-FEM和TB-FEM的计算结果,计算得到的叶片动频率值取得很好的一致性,证实所建立的CB-AM和EBB-FEM的可适用性;研究转速对叶片动频的影响,发现叶片动频随转速的升高而增大,而且3种模型计算得到的动频变化趋势基本相同.针对叶片-机匣的碰摩问题,将叶片-盘组合结构(BD)与机匣分别简化为质点模型(BD-PMM and C-PMM),建立起BD与机匣在模态坐标下的动力学方程;提出质点模型下BD与机匣的模态坐标与整体直角坐标之间的变换矩阵;根据Hamilton变分原理建立起BD与机匣的统一方程,结合中心差分法计算每个叶片与机匣之间的间隙,得到叶片与机匣之间间隙的变化规律,BD绕其旋转圆周的行波传播方向,以及每个叶片的间隙变化之间的内在关系和波动的传播方向.发现在余弦模态,以及在余弦模态与正弦模态的共同作用下,叶片与机匣之间的间隙变化呈现出不同的变化规律:仅在余弦模态作用下,叶盘上不同叶片与机匣之间的间隙的变化规律不同;而在余弦与正弦模态共同作用下,不同叶片与机匣之间的间隙的变化规律基本一致.从单个叶片与机匣间隙的计算结果可以看到间隙变化呈现周期性,也可以看出行波的传播方向.为了对BD和机匣的建模方法进行理论探索,基于Euler-Bernoulli梁单元,建立叶片-盘组合结构的直梁模型(BD-BM)与机匣的曲梁模型(C-BM),给出局部形函数的数学表达式;根据节径模态的概念,基于MATLAB平台,分别对BD与机匣的节径模态进行数值算例仿真,得到BD与机匣的前4节径模态振型;同时使用ANSYS对BD与机匣的实体模型进行模态分析作为验证;对比两种方法分析的结果,得到相同的节径模态振型,从而证明所建立的BD与机匣梁模型的正确性.将叶根与轮盘的连接分别视为固支,以及考虑接触摩擦特性的连接,使用ANSYS建立BD的有限元模型,分析叶根接触摩擦特性对BD的固有特性和叶片与轮盘耦合振动的影响:发现同一节径下考虑接触摩擦特性的BD的固有频率值要小于未考虑接触摩擦特性的值;从Campbell图可以看出,叶片-盘固支连接下的各节径对应的1阶固有频率值相差较小,而考虑接触边界条件下的0节径对应的1阶固有频率值与其他节径对应的1阶固有频率值相差较大.将单个自带冠叶片(ISB)简化为带有干摩擦阻尼的悬臂梁模型,采用解析法和有限元法研究考虑叶冠冠间接触碰撞的叶片动力学特性.研究叶冠冠间的干摩擦阻尼表面碰撞摩擦运动的过程,诠释叶冠间通过碰撞摩擦耗散振动能量以达到叶片减振的机理;将影响ISB振动特性的主要参数(发动机的转速、冠间初始间隙及冠间接触弹性刚度)引入模型,通过改变参数的数值,研究各参数对叶冠干摩擦阻尼减振效果的影响.研究表明,叶冠之间在共振转速区最容易发生接触碰撞;只有当振动位移大于相邻叶冠之间的初始间隙时,干摩擦阻尼才能起到碰撞摩擦减振的作用;叶冠间的接触弹性刚度值对减振效果的影响不明显.通过研究,建立起叶片动力学特性较为完善的分析架构,对单个叶片的旋转态动力学计算、叶尖与机匣的碰摩、叶根与轮盘的接触摩擦、自带冠叶片叶冠之间的接触碰撞进行研究,提出11条研究结论,以及需要进一步研究的7个后续问题.