基于双转子简化动力学模型设计的航空发动机仿真试验台的制作方法
【专利说明】
[0001]
技术领域： 本发明设及一种基于双转子简化动力学模型设计的航空发动机仿真试验台，特别应用 于不带有旋臂圆盘的航空发动机转子的航空发动机仿真试验。
[000引【背景技术】： 转子系统是航空发动机的核屯、结构，双转子结构是现代航空发动机采用的主要结构形 式，指高压转子和低压转子通过中介轴承联接在一起的结构。研究航空发动机双转子系统 的动力学特性，离不开合理简化的动力学模型。陈予恕等[1]对航空发动机整机动力学进 行了综述与展望，指出针对航空发动机的结构和工作特点建立合适的简化模型，通过简化 模型定性研究一些重要参数对系统运动行为的规律性影响对航空发动机系统的设计优化 和动态行为的控制有重要的意义。双转子系统的支承形式、轮盘参数、转轴参数等都对双转 子动力学模型的建立十分重要，支承结构对系统的动力学特性影响尤其关键。不同型号的 发动机有着不同的支承形式，CMF56发动机采用低压转子为0-2-1、高压转子为1-0-1的5 支点支承形式，斯贝发动机采用低压转子为1-2-1、高压转子为1-2-0的7个支点支承形式。
[0003] 在工程计算中，基于商用有限元软件对双转子系统或整机系统进行超大自由度的 有限元建模分析是常用的方法。王国丽等建立了五点支承的双转子-支承系统和高压满 轮-机厘碰摩的Ξ维有限元模型，计算分析双转子系统在碰摩-不平衡故障下的轴承支反 力；廖辉等利用有限元软件ANSl^建立简易四支承双转子系统的有限元模型，模型中高低 压转子均采用双盘，并分别求出内转子和外转子为主激励的临界转速及主振型；张力等针 对现代航空满扇发动机转子系统的结构和力学特征，运用有限元法对低压转子进行了有限 元建模方法和动力特性研究。有限元软件建立的模型结构复杂，适合用于线性振动特性的 定量计算，但对于非线性问题的定量分析计算效率较低，定性分析难W实现。因此，建立符 合实际结构，并能有效地用于计算分析的双子动力学模型十分关键。
[0004] 在理论计算和机理分析研究中，建立低自由度的双转子动力学简化离散模型是十 分必要的，合理的简化模型是研究的关键。莫延歲、李全通针对某六点支承的双转子航空发 动机的动力学特性问题展开研究，将叶片的参数等效成轮盘，建立较多轮盘多支承的双转 子系统数学计算模型，W传递矩阵法为基础，对其动力学特性进行理论计算。陈果用有限元 法建立了实际的双转子航空发动机的整机振动模型，在双转子-支承系统部分，采用了屯 支点形式，模型中高、低压转子系统的轮盘均简化为双盘，在对整机振动系统实验验证时采 用了单跨Ξ盘模型。李朝峰采用有限元法建立了五点支承的双转子一轴承系统的动力学模 型，高、低压转子系统的轮盘均简化为双盘。胡细等研究了航空发动机双转子系统反向旋转 稳态响应，模型中双子系统的高低压转子的轮盘均简化为单轮盘。
[000引
【发明内容】
： 本发明的目的是提供一种基于双转子简化动力学模型设计的航空发动机仿真试验台。
[0006] 上述的目的通过W下的技术方案实现： 一种基于双转子简化动力学模型设计的航空发动机仿真试验台，其组成包括：试验台 机架，所述的机架采用6点支承的结构支撑低压转轴和套在低压转轴外侧的高压转轴，所 述的高压转轴采用1-0-1的轴承分布方式进行支承，所述的低压转轴采用1-2-1的轴承分 布方式进行支承，所述的高压转轴的一端与所述的低压转轴连接的轴承是中介轴承，对于 模型转子的设计，首先采用有限元法建立多轮盘的复杂离散动力学模型，然后基于质屯、集 中方法对该模型进行了简化，双转子系统中的轮盘简化方法可W采用W下两种方式中的任 意一种： (1) 考虑系统的运动为横向弯曲振动，将高压压气机各级轮盘集中到高压压气机轮盘 的质屯、位置，得到轮盘1，简化后轮盘1的参数为：
：将低压 压气机各级轮盘集中到低压压气机轮盘的质屯、位置，得到轮盘3,简化后轮盘3的参数为：
:将高压满轮轮盘集中到高压满轮轮盘的质屯、位置，得到轮盘 2,简化后轮盘2的参数为：
；将低压满轮轮盘集中到低压满轮轮 盘的质屯、位置，得到轮盘4,简化后轮盘4的参数为
(2) 考虑系统的运动为横向弯曲振动，将高压转子系统的所有轮盘集中集中简化到 高压转子系统的质屯、位置，得到轮盘1，简化后轮盘1的参数为：
将低压压气机各级轮盘集中到低压压气机轮盘的质屯、位置，得到轮盘3,简化后 轮盘3的参数为
；将低压满轮轮盘集中到低压满轮轮盘的质 屯、位置，得到轮盘4,简化后轮盘4的参数为
上述各轮盘参数由实际的航空发动机双转子的实际参数得到，获得本试验台临界转速 的方法如下所述： 根据转子动力学知识分别分析高压转子系统和低压转子系统的刚性轮盘、轴段单元及 支承的运动，采用有限单元法，由Lagrange方程可得高压转子系统和低压转子系统的运动 微分方程分别为：
为高压转子系统的质量矩阵、刚度矩阵和回转矩阵，由高压转子的刚性轮 盘、轴段单元及支承单元相对应的单元矩阵组装而成；为低压转子系统的质 量矩阵、刚度矩阵和回转矩阵，由低压转子的刚性轮盘、轴段单元及支承单元相对应的单元 矩阵组装而成；此转子系统转子长径比较小，故采用Timoshenko梁-轴单元，娜日Z分别是 高压转子系统和低压转子系统的节点数，游2分别为高压转子和低压转子自转角速度， 令碎，(從<1)，級为转速比，表示低压转子转速和高压转子转速之比； 高压转子和低压转子通过中介轴承的连接组成双转子系统，由方程（1)-(4)可得
其中，与和巧J双转子系统中中介轴承节点处对应的高压转子节点和低压转 子节点； 令，
方程（5)和化） 可W写成
系统低压转子系统完好不存在不平衡激励，高压转子系统存在不平衡激励，即W高压 转子为主激励，方程（7)的解可写成
频率方程为：
根据式（10)可求得当繳，即同向转动w高压转子为主激励时双转子系统的临界 转速； 当高压转子系统完好不存在不平衡激励，低压转子系统存在不平衡激励，即W低压转 子为主激励，可求得当〇2=ω，同向转动W低压转子为主激励时双转子系统的临界转速；当 高压转子和低压转子对向转动时，可求得当〇2=ω，对向转动W高压转子为主激励时双转 子系统的临界转速 有益效果： 本发明针对某型航空发动机双转子系统，基于有限元法建立了系统的复杂离散动力学 模型，基于质屯、集中的原则对该模型在结构上进行了简化降维，得到了四轮盘双转子简化 模型和Ξ轮盘双转子简化模型。采用Timoshenko梁-轴单元，在同向转动和对向转动工况 下进行了临界转速及误差的计算，结果表明采用质屯、集中的简化方法将转子系统的复杂模 型简化为低自由度的简单模型的定量误差是可W接受的，运是一种从结构特点将实际多盘 双转子系统简化成较少盘双子系统的方法。
[0007] )简化得到的四轮盘双转子简化模型，前四阶相应临界转速误差较小，可W很好的 保有原系统的动力学特性，说明采用质屯、集中的简化方法可将复杂离散模型简化为较低自 由度的简化模型。结果表明，考虑转子结构非线性、故障等因素时，在柔性支承和刚性支承 工况下，均可采用16自由度的四轮盘双转子非线性模型，某些情况下若不考虑巧螺效应， 则可简化为8自由度的Ξ轮盘双转子非线性模型。
[0008] )简化得到的Ξ轮盘双转子简化模型，在柔性支承下，前Ξ阶相应临界转速误差在 15%之内，可W较好的保有原系统的动力学特性。表明，考虑转子结构非线性、故障等因素 时，在柔性支承工况下，可采用12自由度的Ξ轮盘双转子非线性模型，某些情况下若不考 虑巧螺效应，则可简化为6自由度的Ξ轮盘双转子非线性模型。
[0009] 本发明是一种从结构上将实际多轮盘双转子简化成少轮盘双转子的航空发动机 仿真试验台，大大降低了双转子系统的自由度，有利于在考虑到故障、支承等非线性因素后 理论计算分析；可四轮盘双转子简化动力学模型和Ξ轮盘双转子简化动力学模型的设 计方案搭建航空发动机双转子结构的仿真试验台。
[0010]
【附图说明】： 图1是本发明的一种基于航空发动机双转子系统简化动力学模型设计的航空发动机 仿真试验台。图中，阿拉伯数字1-11表示用有限元建模的节点，表示实际发动机双转子轴 承位置、轮盘位置，其中，1、4 (9)、5、7、8、11表示6个轴承的位置，4 (9)是中介轴承位置； 其他各节点2是高压压气机多级轮盘集中简化后(简化为轮盘1)的位置，3是高压压气机 满轮轮盘(轮盘2)的位置；6是四级低压压气机轮盘集中简化后(简化为轮盘3)的位置，10 是低压满轮轮盘(轮盘4)的位置。
[0011] 图2是本发明的另一种基于航空发动机双转子系统简化动力学模型设计的航空 发动机仿真试验台。图中，阿拉伯数字1-10表示用有限元建模的节点，表示实际发动机双 转子轴承位置、轮盘位置，其中，1、3 (8)、4、6、7