[發明專利]基于反向旋轉雙轉子渦動方向換向的動力學優化設計方法

有效

• 申請號: 202010016548.0
• 申請日: 2020-01-08
• 公開（公告）號: CN111219210B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 王儼剴;廖明夫;程盼;李波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F01D5/06
• 分類號: F01D5/06;F01D25/00;F01D21/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

一種基于反向旋轉雙轉子渦動方向換向的動力學優化設計方法，將該雙轉子系統不平衡量帶入遺傳算法中、以航空發動機設計準則中規定的不穩定工作轉速裕度作為計算目標，經過遺傳算法計算得的。所述雙轉子系統不平衡量的閾值包括高壓轉子不平衡量閾值和低壓轉子不平衡量閾值。本發明彌補了現有的航空發動機結構動力學設計準則的不足，改善了航空發動機結構動力學設計能力，按航空發動機設計準則中規定的不穩定工作轉速裕度進行航空發動機結構動力學設計，能使得航空發動機的工作轉速避開渦動方向換向點轉速，從而提高航空發動機的使用壽命和可靠性。

技術領域

本發明涉及航空發動機動力學設計領域，是一種航空發動機轉子結構動力學的優化設計方法。

技術背景

航空發動機目前多采用雙轉子結構設計，對于反向旋轉的雙轉子系統，由于高低壓轉子均存在不平衡量，會導致轉子系統的渦動時而主要由高壓不平衡量激起，時而主要由低壓不平衡量激起，因此，在發動機的運轉過程中存在渦動方向換向現象。如果設計不當，發動機長時間工作在渦動方向換向點附近，導致轉子渦動方向頻繁改變，中介軸承將長期處于惡劣的工作狀態下，帶來航空發動機的可靠性問題。甚至引發零部件的結構損傷，造成飛行事故。

以往的航空發動機結構動力學設計，主要采用正向設計的思路，即設計點為轉子的正常工況。目前的設計流程是：從發動機總體參數出發，進行轉子結構初步設計，然后計算正常情況下的動力學特性，得到發動機的臨界轉速和振型。經過原型機的制造和裝配，試車檢驗是否滿足整機振動上限限制的要求。若頻繁出現振動超標，再進行轉子-支承系統設計的調整和修改。這一傳統的設計思想，在設計過程中完全沒有考慮渦動方向改變這一現象。

全勇在“雙轉子航空發動機高速動平衡技術試驗研究[J].湖南理工學院學報(自然科學版),2018,31(02):43-47.”(ISSN：1672-5298)一文中提出了雙轉子振動耦合共振平衡法，解決了雙轉子系統在多種工況下的振動超限問題,發展了轉子高速動平衡技術。但是文中沒有考慮反向旋轉雙轉子的動力學特性的特殊性。

廖明夫在“航空發動機轉子動力學(西北工業大學,2015)”一書中提出了航空發動機高壓轉子的結構動力學設計方法，揭示了設計參數與轉子振動特性間的關系，提出了轉子臨界轉速界值的估計方法，建立了轉子支承剛度設計的準則，揭示了轉子參數臨界轉速現象，給出了參數臨界轉速出現的條件。但是僅針對高壓轉子系統，并沒有討論雙轉子設計方法。

羅貴火在“含滾動軸承的同向和反向旋轉雙轉子系統動力學響應[J].航空動力學報,2012,27(08):1887-1894.”(ISSN：1000-8055)一文中，對同向旋轉雙轉子的動力特性和反向旋轉雙轉子的動力特性進行了研究。研究中，首先采用傳遞矩陣-擬模態綜合法對雙轉子動力特性進行計算分析，得出雙轉子同向與反向旋轉時振動特性的主要區別是陀螺力矩造成的，發現了反向旋轉雙轉子轉速差較小時，存在協調正進動到非協調反進動的轉變。然后推導了反向旋轉雙轉子系統振動響應的非線性動力學方程。發現了拍振響應與轉速差的關系，同時研究了同轉和反轉雙轉子系統軸心軌跡的差異，發現反轉雙轉子系統軸心軌跡會形成“花瓣”狀，并且接近某個臨界時，軸心軌跡接近圓形。但是沒有對渦動方向換向現象進行研究，也沒有給出估算反向旋轉雙轉子渦動方向換向點的方法。

發明內容

為克服現有技術中存在的設計條件僅考慮臨界特性，不考慮換向轉速的不足，本發明提出了一種基于反向旋轉雙轉子渦動方向換向的動力學優化設計方法。

本發明的具體過程是：

步驟1，確定待優化雙轉子系統的參數：

所述待優化雙轉子系統的參數包括結構參數和其他參數。

Ⅰ確定待優化雙轉子系統的結構參數：

所述的結構參數包括各個軸段的長度、外半徑、內半徑、密度、彈性模量和泊松比，各個盤的質量、軸心轉動慣量和直徑轉動慣量；