[发明专利]基于反向旋转双转子涡动方向换向的动力学优化设计方法

说明书

一种基于反向旋转双转子涡动方向换向的动力学优化设计方法，将该双转子系统不平衡量带入遗传算法中、以航空发动机设计准则中规定的不稳定工作转速裕度作为计算目标，经过遗传算法计算得的。所述双转子系统不平衡量的阈值包括高压转子不平衡量阈值和低压转子不平衡量阈值。本发明弥补了现有的航空发动机结构动力学设计准则的不足，改善了航空发动机结构动力学设计能力，按航空发动机设计准则中规定的不稳定工作转速裕度进行航空发动机结构动力学设计，能使得航空发动机的工作转速避开涡动方向换向点转速，从而提高航空发动机的使用寿命和可靠性。

技术领域

本发明涉及航空发动机动力学设计领域，是一种航空发动机转子结构动力学的优化设计方法。

技术背景

航空发动机目前多采用双转子结构设计，对于反向旋转的双转子系统，由于高低压转子均存在不平衡量，会导致转子系统的涡动时而主要由高压不平衡量激起，时而主要由低压不平衡量激起，因此，在发动机的运转过程中存在涡动方向换向现象。如果设计不当，发动机长时间工作在涡动方向换向点附近，导致转子涡动方向频繁改变，中介轴承将长期处于恶劣的工作状态下，带来航空发动机的可靠性问题。甚至引发零部件的结构损伤，造成飞行事故。

以往的航空发动机结构动力学设计，主要采用正向设计的思路，即设计点为转子的正常工况。目前的设计流程是：从发动机总体参数出发，进行转子结构初步设计，然后计算正常情况下的动力学特性，得到发动机的临界转速和振型。经过原型机的制造和装配，试车检验是否满足整机振动上限限制的要求。若频繁出现振动超标，再进行转子-支承系统设计的调整和修改。这一传统的设计思想，在设计过程中完全没有考虑涡动方向改变这一现象。

全勇在“双转子航空发动机高速动平衡技术试验研究[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2018,31(02):43-47.”(ISSN：1672-5298)一文中提出了双转子振动耦合共振平衡法，解决了双转子系统在多种工况下的振动超限问题,发展了转子高速动平衡技术。但是文中没有考虑反向旋转双转子的动力学特性的特殊性。

廖明夫在“航空发动机转子动力学(西北工业大学,2015)”一书中提出了航空发动机高压转子的结构动力学设计方法，揭示了设计参数与转子振动特性间的关系，提出了转子临界转速界值的估计方法，建立了转子支承刚度设计的准则，揭示了转子参数临界转速现象，给出了参数临界转速出现的条件。但是仅针对高压转子系统，并没有讨论双转子设计方法。

罗贵火在“含滚动轴承的同向和反向旋转双转子系统动力学响应[J].航空动力学报,2012,27(08):1887-1894.”(ISSN：1000-8055)一文中，对同向旋转双转子的动力特性和反向旋转双转子的动力特性进行了研究。研究中，首先采用传递矩阵-拟模态综合法对双转子动力特性进行计算分析，得出双转子同向与反向旋转时振动特性的主要区别是陀螺力矩造成的，发现了反向旋转双转子转速差较小时，存在协调正进动到非协调反进动的转变。然后推导了反向旋转双转子系统振动响应的非线性动力学方程。发现了拍振响应与转速差的关系，同时研究了同转和反转双转子系统轴心轨迹的差异，发现反转双转子系统轴心轨迹会形成“花瓣”状，并且接近某个临界时，轴心轨迹接近圆形。但是没有对涡动方向换向现象进行研究，也没有给出估算反向旋转双转子涡动方向换向点的方法。

发明内容

为克服现有技术中存在的设计条件仅考虑临界特性，不考虑换向转速的不足，本发明提出了一种基于反向旋转双转子涡动方向换向的动力学优化设计方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，确定待优化双转子系统的参数：

所述待优化双转子系统的参数包括结构参数和其他参数。

Ⅰ确定待优化双转子系统的结构参数：

所述的结构参数包括各个轴段的长度、外半径、内半径、密度、弹性模量和泊松比，各个盘的质量、轴心转动惯量和直径转动惯量；