秦義斌

摘 要：為了進(jìn)一步提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，確保航空航天安全，本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對象，通過對其整機(jī)動(dòng)力學(xué)雙轉(zhuǎn)子固有特性以及滾動(dòng)軸承的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)方面的研究進(jìn)行闡述和分析，進(jìn)而對其整機(jī)動(dòng)力學(xué)未來的發(fā)展方向予以展望。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；整機(jī)動(dòng)力學(xué)；雙轉(zhuǎn)子

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.210

0 前言

對航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析可知，其在工作過程中極易受到氣動(dòng)與機(jī)械激振以及熱場的影響，從而對誘發(fā)一系列故障，影響航空航天安全。因此，近年來，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制及其振動(dòng)激勵(lì)便成為國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域共同關(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過對前人關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)方面的相關(guān)研究予以總結(jié)和探討，旨在為提高發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定的，確保航空航天安全提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)研的研究進(jìn)展

1.1 雙轉(zhuǎn)子固有特性研究

對雙轉(zhuǎn)子進(jìn)行分析可知，其高壓與低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是沿二者共同工作線而不斷變更的，而此工作線與內(nèi)、外兩個(gè)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速線必然存在交點(diǎn)，此類交點(diǎn)便是雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速點(diǎn)。傳統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法，如傳遞矩陣法和迭代法等雖能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，但在對高階臨界轉(zhuǎn)速和振型的計(jì)算過程中卻存在數(shù)值不穩(wěn)或誤差較大等相關(guān)問題。為了提高雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性，近年來，諸多學(xué)者均致力于其臨界轉(zhuǎn)速的改進(jìn)和研究。史峰，杜建標(biāo)，程禮（2008）對帶軸間軸承雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型予以探索和建立，借助動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值仿真以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對不同的內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的影響做出了全面探究，并指出，可根據(jù)內(nèi)外轉(zhuǎn)子各自轉(zhuǎn)速的臨界值來確定整個(gè)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速[1]。

在雙轉(zhuǎn)子耦合方面，由于其內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子的振動(dòng)將會(huì)在軸承處產(chǎn)生耦合，而影響耦合作用的因素又包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和二者比值，故因耦合導(dǎo)致的雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡也是當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)中的研究熱點(diǎn)。熊純，都昌兵（2009）對整機(jī)系統(tǒng)中雙轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡問題進(jìn)行了深入研究，其通過對雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)理論計(jì)算模型進(jìn)行構(gòu)建，進(jìn)而分別給出了一個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的比值，從而對在內(nèi)外兩個(gè)轉(zhuǎn)子施加不平衡量情況下，二者任意一點(diǎn)的振動(dòng)量，并將影響系數(shù)法予以引入，從而為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)平衡研究提供了理論和數(shù)值依據(jù)[2]。

1.2 轉(zhuǎn)子-滾動(dòng)軸承的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

基于滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包含分岔、混沌等諸多非線性的振動(dòng)情況，因此，有必要也必須引入以轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)為基礎(chǔ)的非線性振動(dòng)理論方能夠解釋諸多非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。陳果（2011）在對整機(jī)系統(tǒng)慣性力與阻尼予以充分考慮的基礎(chǔ)上，對變剛度效應(yīng)展開了深入研究，同時(shí)，分析了變剛度效應(yīng)所誘發(fā)的滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子非線性振動(dòng)[3]。在對稱簡支條件下簡化單圓盤剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，從而使其成為在旋轉(zhuǎn)載荷條件下能夠運(yùn)行的單一滾動(dòng)軸承的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所產(chǎn)生的非線性振動(dòng)情況，并以數(shù)值分析的方式對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的亞諧波以及超諧波與混沌等現(xiàn)象做出了系統(tǒng)探究。

1.3 轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)研究

對轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行分析可知，在轉(zhuǎn)子葉片某階的倍頻同轉(zhuǎn)子激振力頻率相同的情況下，轉(zhuǎn)子葉片則產(chǎn)生共振或主共振，此時(shí)，若在高性能與搞優(yōu)化結(jié)構(gòu)的要求下，便會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片因出現(xiàn)氣動(dòng)彈性耦合而發(fā)生自激振動(dòng)，從而增加葉片裂紋產(chǎn)生的幾率，對系統(tǒng)造成損壞。

張大義，劉燁輝，洪杰（2015）以渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對導(dǎo)致其轉(zhuǎn)子葉片損壞的原因做出探究，并指出，若離散噪聲的頻率較高，會(huì)對包括葉片在內(nèi)的整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害。一般情況下，疲勞破壞發(fā)生時(shí)的離散噪聲頻率大都在0.1～1kHz區(qū)間變化，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)本身的基頻也是0.1～1kHz，故在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中，將可能產(chǎn)生共振，從導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片或發(fā)動(dòng)機(jī)的部分構(gòu)損壞。此外，在各類噪聲源中，尤以氣壓機(jī)自身所發(fā)出的噪聲距離轉(zhuǎn)子的葉片最為接近。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的可調(diào)靜子葉片處于某些非設(shè)計(jì)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，也會(huì)發(fā)出非設(shè)計(jì)狀態(tài)的高強(qiáng)度噪聲，此類噪聲與靜子葉片的距離僅為3mm，故而成為了影響靜子葉片運(yùn)行的高強(qiáng)噪聲源。而當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，還具有激發(fā)氣體流場中氣動(dòng)特性的可能，從而導(dǎo)致靜子葉片發(fā)生顫振，增加磨損，進(jìn)而減少葉片和靜子本身的壽命[4]。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)研究展望

從以下兩方面對未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)行展望。首先，是發(fā)動(dòng)機(jī)簡化模型的研究。對航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析可知，其具有較強(qiáng)的復(fù)雜性與非線性特征，若想要對此系統(tǒng)開展全面而詳盡的探究并非易事。但若能從發(fā)動(dòng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作特點(diǎn)出發(fā)，在對大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和分析的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)予以適當(dāng)簡化，從而獲得能夠準(zhǔn)確反映發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)行為及其行為變化的模型，便可通過對這一簡化模型的研究，進(jìn)一步探究并發(fā)現(xiàn)對其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)行為或現(xiàn)象在相關(guān)參數(shù)作用下的發(fā)展規(guī)律。

其次，是以實(shí)際工程應(yīng)用為目標(biāo)導(dǎo)向的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)參數(shù)集成的發(fā)展。能夠?qū)娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生作用或影響的參數(shù)較多，且參數(shù)變化的復(fù)雜程度較大，在對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)以及建造和運(yùn)行等各方面影響因素予以充分考慮的人基礎(chǔ)上，可引入有限元分析軟件開展對其整機(jī)參數(shù)的精細(xì)化建模，盡可能多地了解并掌握各類參數(shù)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行行為的影響。

3 結(jié)論

本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要研究對象，分別對前人關(guān)于雙轉(zhuǎn)子的固有特性、轉(zhuǎn)子-滾動(dòng)軸承以及轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)等相關(guān)方面的研究展開了系統(tǒng)論述和分析，同時(shí)，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)未來的研究趨勢進(jìn)行了展望。研究結(jié)果表明，當(dāng)前，關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)方面的研究進(jìn)展較為良好，能夠有效為航空發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中各類問題的研究提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]史峰，杜建標(biāo)，程禮.雙轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究[J].機(jī)械與電子，2008（10）：56-58.

[2]熊純，都昌兵.雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡研究[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（02）：33-36.

[3]陳果.雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)建模與分析[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2011，06（13）：619-632.

[4]張大義，劉燁輝，洪杰等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型建立與振動(dòng)特性分析[J].推進(jìn)技術(shù)，2015，05（05）：768-773.