航空发动机整机动力学研究进展与展望

摘 要：为了进一步提高航空发动机的稳定性，确保航空航天安全，本文以航空发动机作为研究对象，通过对其整机动力学双转子固有特性以及滚动轴承的系统动力学等相关方面的研究进行阐述和分析，进而对其整机动力学未来的发展方向予以展望。

关键词：航空发动机；整机动力学；双转子

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

0 前言

对航空发动机进行分析可知，其在工作过程中极易受到气动与机械激振以及热场的影响，从而对诱发一系列故障，影响航空航天安全。因此，近年来，发动机的控制及其振动激励便成为国内外航空航天领域共同关注的焦点。本文通过对前人关于航空发动机整机动力学方面的相关研究予以总结和探讨，旨在为提高发动机系统的稳定的，确保航空航天安全提供技术支撑和理论依据。

1 航空发动机整机动力学研的研究进展

1.1 双转子固有特性研究

对双转子进行分析可知，其高压与低压转子转速是沿二者共同工作线而不断变更的，而此工作线与内、外两个转子发动机的临界转速线必然存在交点，此类交点便是双转子发动机运行中可能出现的转速点。传统的临界转速的计算方法，如传递矩阵法和迭代法等虽能够对复杂系统的动力响应进行计算，但在对高阶临界转速和振型的计算过程中却存在数值不稳或误差较大等相关问题。为了提高双转子系统临界转速的准确性，近年来，诸多学者均致力于其临界转速的改进和研究。史峰，杜建标，程礼（2008）对带轴间轴承双转子系统的动力学模型予以探索和建立，借助动力学系统的数值仿真以及相关实验，对不同的内转子与外转子转速对双转子系统临界转速所产生的影响做出了全面探究，并指出，可根据内外转子各自转速的临界值来确定整个双转子系统的临界转速[1]。

在双转子耦合方面，由于其内外双转子的振动将会在轴承处产生耦合，而影响耦合作用的因素又包括转子转速和二者比值，故因耦合导致的双转子系统不平衡也是当前航空发动机整机动力学中的研究热点。熊纯，都昌兵（2009）对整机系统中双转子的动平衡问题进行了深入研究，其通过对双转子系统理论计算模型进行构建，进而分别给出了一个转子转速和两个转子转速的比值，从而对在内外两个转子施加不平衡量情况下，二者任意一点的振动量，并将影响系数法予以引入，从而为转子系统的动平衡研究提供了理论和数值依据[2]。

1.2 转子-滚动轴承的系统动力学

基于滚动轴承的转子系统包含分岔、混沌等诸多非线性的振动情况，因此，有必要也必须引入以转子-轴承系统为基础的非线性振动理论方能够解释诸多非线性动力学现象产生的原因。陈果（2011）在对整机系统惯性力与阻尼予以充分考虑的基础上，对变刚度效应展开了深入研究，同时，分析了变刚度效应所诱发的滚动轴承转子非线性振动[3]。在对称简支条件下简化单圆盘刚性转子系统，从而使其成为在旋转载荷条件下能够运行的单一滚动轴承的基础上，进一步探究了转子系统所产生的非线性振动情况，并以数值分析的方式对转子系统运行过程中所产生的亚谐波以及超谐波与混沌等现象做出了系统探究。

1.3 转子叶片振动研究

对转子叶片进行分析可知，在转子叶片某阶的倍频同转子激振力频率相同的情况下，转子叶片则产生共振或主共振，此时，若在高性能与搞优化结构的要求下，便会导致转子叶片因出现气动弹性耦合而发生自激振动，从而增加叶片裂纹产生的几率，对系统造成损坏。

张大义，刘烨辉，洪杰（2015）以涡扇发动机为例，对导致其转子叶片损坏的原因做出探究，并指出，若离散噪声的频率较高，会对包括叶片在内的整个发动机结构产生严重损害。一般情况下，疲劳破坏发生时的离散噪声频率大都在0.1～1kHz区间变化，同时，发动机结构本身的基频也是0.1～1kHz，故在转子运动过程中，将可能产生共振，从导致转子叶片或发动机的部分构损坏。此外，在各类噪声源中，尤以气压机自身所发出的噪声距离转子的叶片最为接近。当发动机的可调静子叶片处于某些非设计状态运行时，也会发出非设计状态的高强度噪声，此类噪声与静子叶片的距离仅为3mm，故而成为了影响静子叶片运行的高强噪声源。而当这种情况发生时，还具有激发气体流场中气动特性的可能，从而导致静子叶片发生颤振，增加磨损，进而减少叶片和静子本身的寿命[4]。

2 航空发动机整机动力学研究展望

从以下两方面对未来航空发动机的整机动力学研究进行展望。首先，是发动机简化模型的研究。对航空发动机进行分析可知，其具有较强的复杂性与非线性特征，若想要对此系统开展全面而详尽的探究并非易事。但若能从发动机本身的结构特点以及工作特点出发，在对大量实践经验进行总结和分析的基础上对系统予以适当简化，从而获得能够准确反映发动机动力学行为及其行为变化的模型，便可通过对这一简化模型的研究，进一步探究并发现对其动力学系统行为或现象在相关参数作用下的发展规律。

其次，是以实际工程应用为目标导向的发动机整机参数集成的发展。能够对航空发动机动力学产生作用或影响的参数较多，且参数变化的复杂程度较大，在对航空发动机的设计以及建造和运行等各方面影响因素予以充分考虑的人基础上，可引入有限元分析软件开展对其整机参数的精细化建模，尽可能多地了解并掌握各类参数对航空发动机整机运行行为的影响。

3 结论

本文以航空发动机作为主要研究对象，分别对前人关于双转子的固有特性、转子-滚动轴承以及转子叶片振动等相关方面的研究展开了系统论述和分析，同时，对航空发动机整机动力学未来的研究趋势进行了展望。研究结果表明，当前，关于航空发动机整机动力学方面的研究进展较为良好，能够有效为航空发动机在实际运行中各类问题的研究提供参考依据。

参考文献：

[1]史峰，杜建标，程礼.双转子动力学研究[J].机械与电子，2008（10）：56-58.

[2]熊纯，都昌兵.双转子航空发动机转子动平衡研究[J].长沙航空职业技术学院学报，2009（02）：33-36.

[3]陈果.双转子航空发动机整机振动建模与分析[J].振动工程学报，2011，06（13）：619-632.

[4]张大义，刘烨辉，洪杰等.航空发动机整机动力学模型建立与振动特性分析[J].推进技术，2015，05（05）：768-773.

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