技術領域

本發明涉及航空發動機整機振動分析領域，特別涉及了一種航空發動機整機振動特性分析方法。

背景技術

目前對于發動機整機振動特性研究主要局限于轉子系統獨立的特性分析，得到的結果與發動機實際工況相符性差，對于轉、靜子系統特性聯合研究相對較少，對工程的指導性不強。

隨著控制航空發動機振動故障的需求迫切性越來越強，對分析結果的準確性、真實性和全面性要求越來越高，迫切需要針對發動機整機系統進行全三維轉靜子動力學特性聯合仿真分析，指導發動機的設計、裝配和排振，保證發動機工作的可靠性，減少振動故障的發生。

發明內容

本發明的目的是為發動機生產中振動故障的控制和外場使用可靠性提供堅實的技術保障，特提供了一種航空發動機整機振動特性分析方法。

本發明提供了一種航空發動機整機振動特性分析方法，其特征在于：將發動機整機系統隔離為轉子系統、靜子系統，通過支點系統將二者耦合起來，采用轉、靜子系統動力學特性聯合仿真；

首先對發動機整機系統進行力學分析，轉子系統是振動源，靜子系統為響應體，轉子振動能量以支反力的形式通過支點傳遞到靜子系統，靜子系統的響應就可反映整機振動特性。把一個復雜的幾乎無法分析的龐大系統分隔為可分析的子系統，并通過動力學特性聯合仿真將各系統有機的結合在一起，真實反映整機的實際狀態，實現發動機整機振動特性的分析；

發動機整機包括轉子—支承系統和靜子承力系統。轉子在高速旋轉時，產生激振力，轉子和靜子承力系統通過支承軸承相互耦合，轉子產生的激振力以軸承支反力的形式作用于靜子承力系統。此外，在某些特殊工況下，轉靜件會發生碰摩，產生碰摩力。

首先，將發動機整機系統隔離為轉子—支承系統和靜子承力系統兩個研究對象，然后應用有限元分析平臺仿真分析轉子—支承系統在不平衡激振力和碰摩力作用下的振動響應及動態軸承支反力，得到靜子系統的激勵輸入。最后，將得到的動態軸承支反力和碰摩力加載于靜子承力系統，仿真分析其振動響應特性，從而得到發動機整機振動特性。

航空發動機整機振動特性分析方法，具體步驟：

1）首先應用三維CAD軟件建立轉子—支承系統和靜子承力系統的三維幾何模型，然后利用有限元工具對模型進行網格劃分、零件連接方式處理、邊界條件施加等，建立轉子—支承系統、靜子承力系統的有限元模型。

2）應用多自由度強迫振動理論，對轉子—支承系統有限元模型進行驗證；進行靜子承力系統模態實驗，根據模態實驗結果對有限元模型進行驗證和修正。

3）建立高壓渦輪-靜子機匣的局部碰摩模型，進行非線性接觸分析，得到碰摩力隨徑向相對位移的變化關系（圖2）。

4）應用有限元軟件的轉子動力學計算分析功能，仿真計算轉子—支承系統在不平衡量作用下的振動響應。根據發動機試車中的典型故障，調整不平衡量大小、分布以及有無碰摩的組合工況，得到不同工況下的動態軸承支反力。

5）將不同工況下的動態軸承支反力和碰摩力施加在靜子承力系統上，進行靜子機匣的振動響應特性計算。圖3顯示了標準工況下某一振動測點（0～4）階范圍的振動譜圖階次，1階對應高壓轉子模型的頻率振動，0.61階對應低壓轉子模型的頻率振動。圖4是仿真計算得到的對應某一振動測點中水速度頻譜圖，圖中顯示在45Hz、75Hz、109Hz、148Hz、245Hz、300Hz頻率點出現了較高的響應峰值，其中148Hz、245Hz分別對應低壓轉子和高壓轉子的工作頻率，而45Hz、75Hz、109Hz、300Hz是靜子機匣自由振動的固有頻率。測試頻譜圖與計算頻譜圖在148Hz、245Hz、300Hz頻率點的響應峰值有很好的吻合性。

6）將靜子機匣的振動響應仿真結果與典型發動機試車中響應的實測數據進行對比分析，以驗證所建的模型和計算方法的正確性。進一步分析機匣關鍵測點的振動響應值對不平衡量大小、分布及碰摩的敏感程度，得到發動機的整機振動特性。

整機振動故障嚴重困擾發動機生產及外場使用安全，必須對發動機整機振動特性和機理進行深入研究，而傳統分析方法無法真實模擬發動機實際結構和工況，分析結果的參考性差。而整機全三維仿真則使模型過于龐大，無法實現計算。因此，將發動機整機系統隔離為轉子系統、靜子系統，通過支點系統將二者耦合起來，采用轉、靜子系統動力學特性聯合仿真，解決該問題。

本發明的優點：