[发明专利]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

摘要

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。转子系统是航空发动机的核心结构，双转子结构是现代航空发动机采用的主要结构形式。本发明组成试验台机架，所述的机架采用6点支承的结构支撑低压转轴（31）和套在低压转轴外侧的高压转轴（32），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（33），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，然后基于质心集中方法对该模型进行了简化。本发明用于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。

主权项

1.一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，其特征是：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，然后基于质心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以采用以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心位置，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心位置，得到轮盘3，简化后轮盘3的参数为：，，；将高压涡轮轮盘集中到高压涡轮轮盘的质心位置，得到轮盘2，简化后轮盘2的参数为：、、；将低压涡轮轮盘集中到低压涡轮轮盘的质心位置，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心位置，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心位置，得到轮盘2，简化后轮盘2的参数为：、、；将低压涡轮轮盘集中到低压涡轮轮盘的质心位置，得到轮盘3，简化后轮盘3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：    (1)  (2)其中，    (3)     (4)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，H和L分别是高压转子系统和低压转子系统的节点数，分别为高压转子和低压转子自转角速度，令，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    (5)  (6)其中，是由中介轴承引起的耦合刚度，表示为其中，kxy=kyx=0，p和q为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(6)可以写成  (7a)     (7b)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，即以高压转子为主激励，方程(7)的解可写成 (8a) (8b)代入方程(7)可得     (9)频率方程为：  (10)根据式(10)可求得当，即同向转动以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，即以低压转子为主激励，可求得当Ω2=ω，同向转动以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Ω2=ω ，对向转动以高压转子为主激励时双转子系统的临界转速。