[發明專利]基于動力吸振的共用支承結構的優化設計方法

在審

• 申請號: 202310081344.9
• 申請日: 2023-02-02
• 公開（公告）號: CN115982891A
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 劉準;廖明夫;李維;宋明波;鄧旺群
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 西安匠星互智知識產權代理有限公司 61291
• 代理人: 華金

一種基于動力吸振的共用支承結構的優化設計方法，以燃氣發生器轉子和共用支承結構過渡段作為動力渦輪轉子的動力吸振器，通過剛度匹配方法實現發動機部件之間的動力吸振，在不增加結構重量的情況下實現發動機在全轉速范圍內均能穩定的運行，并且能夠解決共用支承結構過渡段外支承熱應力集中的問題，包括共用支承結構雙轉子系統的待優化模態及待優化節點確定方式，共用支承結構的關鍵剛度的選取方法和選取原則，以及需要使用的共用支承結構剛度組合優化參考圖，最終得到的各關鍵剛度即為優化后的共用支承結構雙轉子系統，在降低動力渦輪轉子振動方面具有明顯優勢，充分利用航空發動機的既有結構，有利于提升航空發動機的功率重量比/推力重量比。

技術領域

本發明涉及航空發動機設計和振動控制領域，具體是一種共用支承結構內部剛度的設計優化方法，用于帶有該結構的航空發動機的減振設計。

背景技術

近年來，動力渦輪轉子和燃氣發生器轉子共用承力框架的共用支承結構在新一代渦軸發動機中得到了廣泛的應用。采用該結構能夠有效縮短渦軸發動機的軸向長度，并且可以降低發動機的排氣損失，因此，成為渦軸發動機減重和提高功重比的重要手段。由于共用支承結構位于燃氣發生器渦輪和動力渦輪之間，工作時，環境溫度高，存在高溫帶來的支承剛度弱化的問題。此外，由于共用支承結構同時承載工作轉速不同的燃氣發生器轉子和動力渦輪轉子，會出現轉子之間的振動耦合現象。在常見的渦軸發動機中，燃氣發生器轉子一般為帶有擠壓油膜阻尼器的準剛性轉子，在工作轉速范圍內僅有平動和俯仰兩種模態，工作時，擠壓油膜阻尼器減振效果較為顯著好，振動問題較易解決。然而，渦軸發動機動力渦輪轉子一般長徑比較大，且渦輪盤一般位于轉子一端，工作范圍內需要跨越多階彎曲模態，振型節點常常落在擠壓油膜阻尼器位置，致使阻尼器失去減振效果。因此，與燃氣發生器轉子振動相比，動力渦輪轉子振動問題更加突出，更加復雜，一直是渦軸發動機設計的難題。

目前，針對共用支承結構的主流設計方法為根據發動機的工作轉速預設轉子系統的臨界轉速，再根據臨界轉速和轉子幾何尺寸設計轉子支承的剛度，在一般的共用支承結構雙轉子系統中，為防止兩個轉子之間振動互相干擾耦合，疊加產生更強的振動信號，因此一般設計中采用增強共用支承結構外支承剛度的方法，使共用支承結構外支承剛度遠遠高于轉子中其他支承的剛度，以隔離兩個轉子之間的振動，這種設計方法被稱為雙轉子系統的解耦設計方法。

但是，馬艷紅，曹沖等人在“渦軸發動機渦輪級間支承結構設計關鍵技術[J]”《航空發動機》,2014,40(4):7.(DOI:10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.04.007)一文中提出為降低共用支承結構的溫度敏感性，改善共用支承結構在高溫工作環境中帶來的支承剛度弱化與熱應力集中問題，保證在變溫條件下的低應力分布與穩定的支承剛度極為重要，其主要方式之一即為降低共用支承結構外支承剛度，以減小熱應力和剛度穩定性。由此可見降低共用支承結構外支承剛度的設計要求與解耦設計方法中提升共用支承結構外支承剛度的設計理念存在沖突。

對于共用支承結構耦合特性研究方面。較為代表性的有唐振寰，米棟等人在論文“軸承共腔-雙轉子系統耦合振動特性研究[J].《推進技術》,2022(002):043.中提出，以某型帶有共用支承結構的先進民用渦軸發動機為例，建立了對應的非線性動力學模型，通過仿真分析認為，共用支承結構雙轉子系統的耦合振動主要表現為雙轉子之間的交叉激勵現象，支承結構的角向剛度對耦合振動影響較大，通過縮短共腔結構內外安裝邊的軸向距離可以提升角向剛度，減弱耦合振動。洪杰，楊振川，王永峰，等在論文“航空發動機承力結構隔振設計方法及試驗[J].《北京航空航天大學學報》,2019(1):8.”(DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0196)中以某渦軸發動機的共用支承結構承力框架為對象，將共用支承結構離散為多個不同的結構單元，通過數值仿真和實驗分析了共用支承結構與渦輪機匣之間的振動傳遞特點和振動傳遞系數，利用板殼支承結構的非連續性設計實現結構內較大的機械阻抗及良好的隔振性能。