一种航空发动机转子结构动力学的设计方法技术

一种航空发动机转子结构动力学的设计方法，从高推比性能航空发动机工作状态的特征出发，提出热模态的概念，以适应航空发动机变工况下转子结构动力学的设计。本发明专利技术的核心是优化转子和支承的参数，使得转子系统的热模态避开支承绝对刚性时转子的模态，同时发挥阻尼器的作用，使转子系统在热模态下满足振动标准的要求。本发明专利技术提出了将弹性支承的转子模态与支承绝对刚性的转子模态之间的裕度作为优化参数，同时发挥阻尼器的减振效果，以达到转子系统的动力学要求。本发明专利技术改变了传统的先设计再验算的设计思想，对转子的动力学特性进行主动设计，循环设计，提高了工作效率，具有重要的工程实用价值。

【技术实现步骤摘要】

【技术保护点】
一种航空发动机转子结构动力学的设计方法，其特征在于，具体步骤是：第一步：建立转子系统动力学模型：得到转子系统在临界转速处的振动响应与各设计参数的关系，所述转子系统在临界转速处的振动响应与各设计参数的关系包括转子系统临界响应与转子结构参数的关系，以及转子系统临界响应与转子模态参数的关系；转子系统动力学模型的方程矩阵表达式（1）为：MQ··+DQ·+SQ=u---(1)]]>式(1)中：M=m0000I0000000000,]]>M是质量矩阵，m为盘的质量，I为盘的直径转动惯量；D=00000-jIpΩ0000-db1-db200ajdb1-(L-a)jdb2,]]>D是阻尼矩阵，j为虚数单位，Ip为盘的极轴转动惯量，Ω为转子旋转速度，db1、db2分别为转子系统前后支承的阻尼系数，L为转子的跨距，a为转子前支点到转子重心的距离；S=s11-js11-(1-aL)s11-s12L-aLs11+s12Ljs21s22-j(1-aL)s21-js22L-jaLs21+js22Ls11-js12-(1-aL)s11-s12L-sb1-aLs11+s12L-sb2js21s22-j(1-aL)s21-js22L+jasb1-jaLs21+js22L-(L-a)jsb2,]]>S是刚度矩阵，s11，s12，s13和s14分别为转子的刚度系数，sb1、sb2分别为转子系统前后支承的刚度系数；u=mϵΩ2ej(Ωt+β)000,]]>u是转子系统由于不平衡所承受的惯性离心力，ε为转子的不平衡偏心距；β为不平衡相位角；Q是转子系统的响应，r为转子重心处的挠度，为转子重心处的挠角，rb1，rb2分别为转子两个支承处的挠度；转子系统在支承处的临界响应Q2cr=-j1m(I-Ip)(Ω~crl-Ωcri2)(Ω~cr22-Ωcri2)[Φ]Ωcri2mcrlDcrlΩcrl00Ωcri2Icr2Dcr2Ωcr2[Φ]T.Sss22-(I-Ip)Ωcri2-s12-s21s11-mΩcri2U1---(17)]]>转子重心处的临界响应Qlcr=Ss-1SbbQ2cr+Ss-1SbdQ·2cr---(18)]]>式（17）、式（18）描述了弹性支承的转子系统在临界转速处的振动响应Q1cr、Q2cr，包括了转子系统结构动力学参数以及转子系统的模态参数；式（17）、式（18）说明了弹性支承的转子系统临界响应与支承绝对刚性时转子临界转速的关系；式（17）和式（18）中，Q1cr为转子重心处的临界响应幅值；Q2cr为转子支承处的临界响应幅值；Ωcri为转子第i阶临界转速；[Φ]为转子系统的模态矩阵，Dcrl=dcrl2mcrlΩcrl,Dcr2=dcr22Icr2Ωcr2]]>分别为第一阶和第二阶模态阻尼比，dcr1、dcr2分别为转子系统的第一阶和第二阶模态阻尼系数，mcr1、Icr2分别为第一阶和第二阶模态质量，Ωcr1、Ωcr2分别为转子的第一阶和第二阶临界转速；分别为支承刚性时，转子系统的临界转速；Ss=s11-js12js21s22]]>Sbb=(1-aL)s11+s12L+sb1aLs11-s12L+sb2j(1-aL)s21+js22L-jasb1jaLs21-js22L+(L-a)jsb2]]>SS(1-aL)aLjL-jL+SS-111-jaj(L-a)sb100sb2]]>Sbd=db1db2-ajdb1(L-a)jdb2=11-jaj(L-a)db100db2]]>U1为转子系统的不平衡量；Ωcri为转子的临界转速，Q2cr为转子在支承处的临界响应幅值；第二步：设定转子系统工作时的热模态：根据发动机的工作转速范围和性能要求，设定转子系统的热模态；设定所述热模态时，须依次满足以下条件：第一阶模态临界转速位于慢车转速以下，并允许在慢车位置；第二阶模态临界转速和第三阶模态临界转速均位于巡航转速以下，裕度均10%；在巡航转速与最大转速之间不设临界转速；当转子的设计参数要求在转子系统的巡航转速与最大转速之间必须设临界转速时，则将第四阶模态临界转速设置在最大转速之上，裕度8‑10%；第三步：确定支承绝对刚性时转子系统的模态：设转子系统各个支承刚度无穷大，采用传递矩阵法或有限元法确定在此条件下转子系统的模态；第四步：选取支承刚度的初始值：根据支承绝对刚性转子系统的刚度选择支承刚度的初值；转子系统各个支承刚度应为刚支转子刚度的20‑50%，采用有限元法或通过公式（1...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖明夫，从佩红，王娟，宋明波，
申请(专利权)人：西北工业大学，中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61