航空發動機整機動力學研究進展與展望

秦義斌

摘 要：為了進一步提高航空發動機的穩定性，確保航空航天安全，本文以航空發動機作為研究對象，通過對其整機動力學雙轉子固有特性以及滾動軸承的系統動力學等相關方面的研究進行闡述和分析，進而對其整機動力學未來的發展方向予以展望。

關鍵詞：航空發動機；整機動力學；雙轉子

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

0 前言

對航空發動機進行分析可知，其在工作過程中極易受到氣動與機械激振以及熱場的影響，從而對誘發一系列故障，影響航空航天安全。因此，近年來，發動機的控制及其振動激勵便成為國內外航空航天領域共同關注的焦點。本文通過對前人關于航空發動機整機動力學方面的相關研究予以總結和探討，旨在為提高發動機系統的穩定的，確保航空航天安全提供技術支撐和理論依據。

1 航空發動機整機動力學研的研究進展

1.1 雙轉子固有特性研究

對雙轉子進行分析可知，其高壓與低壓轉子轉速是沿二者共同工作線而不斷變更的，而此工作線與內、外兩個轉子發動機的臨界轉速線必然存在交點，此類交點便是雙轉子發動機運行中可能出現的轉速點。傳統的臨界轉速的計算方法，如傳遞矩陣法和迭代法等雖能夠對復雜系統的動力響應進行計算，但在對高階臨界轉速和振型的計算過程中卻存在數值不穩或誤差較大等相關問題。為了提高雙轉子系統臨界轉速的準確性，近年來，諸多學者均致力于其臨界轉速的改進和研究。史峰，杜建標，程禮（2008）對帶軸間軸承雙轉子系統的動力學模型予以探索和建立，借助動力學系統的數值仿真以及相關實驗，對不同的內轉子與外轉子轉速對雙轉子系統臨界轉速所產生的影響做出了全面探究，并指出，可根據內外轉子各自轉速的臨界值來確定整個雙轉子系統的臨界轉速[1]。

在雙轉子耦合方面，由于其內外雙轉子的振動將會在軸承處產生耦合，而影響耦合作用的因素又包括轉子轉速和二者比值，故因耦合導致的雙轉子系統不平衡也是當前航空發動機整機動力學中的研究熱點。熊純，都昌兵（2009）對整機系統中雙轉子的動平衡問題進行了深入研究，其通過對雙轉子系統理論計算模型進行構建，進而分別給出了一個轉子轉速和兩個轉子轉速的比值，從而對在內外兩個轉子施加不平衡量情況下，二者任意一點的振動量，并將影響系數法予以引入，從而為轉子系統的動平衡研究提供了理論和數值依據[2]。

1.2 轉子-滾動軸承的系統動力學

基于滾動軸承的轉子系統包含分岔、混沌等諸多非線性的振動情況，因此，有必要也必須引入以轉子-軸承系統為基礎的非線性振動理論方能夠解釋諸多非線性動力學現象產生的原因。陳果（2011）在對整機系統慣性力與阻尼予以充分考慮的基礎上，對變剛度效應展開了深入研究，同時，分析了變剛度效應所誘發的滾動軸承轉子非線性振動[3]。在對稱簡支條件下簡化單圓盤剛性轉子系統，從而使其成為在旋轉載荷條件下能夠運行的單一滾動軸承的基礎上，進一步探究了轉子系統所產生的非線性振動情況，并以數值分析的方式對轉子系統運行過程中所產生的亞諧波以及超諧波與混沌等現象做出了系統探究。

1.3 轉子葉片振動研究

對轉子葉片進行分析可知，在轉子葉片某階的倍頻同轉子激振力頻率相同的情況下，轉子葉片則產生共振或主共振，此時，若在高性能與搞優化結構的要求下，便會導致轉子葉片因出現氣動彈性耦合而發生自激振動，從而增加葉片裂紋產生的幾率，對系統造成損壞。

張大義，劉燁輝，洪杰（2015）以渦扇發動機為例，對導致其轉子葉片損壞的原因做出探究，并指出，若離散噪聲的頻率較高，會對包括葉片在內的整個發動機結構產生嚴重損害。一般情況下，疲勞破壞發生時的離散噪聲頻率大都在0.1～1kHz區間變化，同時，發動機結構本身的基頻也是0.1～1kHz，故在轉子運動過程中，將可能產生共振，從導致轉子葉片或發動機的部分構損壞。此外，在各類噪聲源中，尤以氣壓機自身所發出的噪聲距離轉子的葉片最為接近。當發動機的可調靜子葉片處于某些非設計狀態運行時，也會發出非設計狀態的高強度噪聲，此類噪聲與靜子葉片的距離僅為3mm，故而成為了影響靜子葉片運行的高強噪聲源。而當這種情況發生時，還具有激發氣體流場中氣動特性的可能，從而導致靜子葉片發生顫振，增加磨損，進而減少葉片和靜子本身的壽命[4]。

2 航空發動機整機動力學研究展望

從以下兩方面對未來航空發動機的整機動力學研究進行展望。首先，是發動機簡化模型的研究。對航空發動機進行分析可知，其具有較強的復雜性與非線性特征，若想要對此系統開展全面而詳盡的探究并非易事。但若能從發動機本身的結構特點以及工作特點出發，在對大量實踐經驗進行總結和分析的基礎上對系統予以適當簡化，從而獲得能夠準確反映發動機動力學行為及其行為變化的模型，便可通過對這一簡化模型的研究，進一步探究并發現對其動力學系統行為或現象在相關參數作用下的發展規律。

其次，是以實際工程應用為目標導向的發動機整機參數集成的發展。能夠對航空發動機動力學產生作用或影響的參數較多，且參數變化的復雜程度較大，在對航空發動機的設計以及建造和運行等各方面影響因素予以充分考慮的人基礎上，可引入有限元分析軟件開展對其整機參數的精細化建模，盡可能多地了解并掌握各類參數對航空發動機整機運行行為的影響。

3 結論

本文以航空發動機作為主要研究對象，分別對前人關于雙轉子的固有特性、轉子-滾動軸承以及轉子葉片振動等相關方面的研究展開了系統論述和分析，同時，對航空發動機整機動力學未來的研究趨勢進行了展望。研究結果表明，當前，關于航空發動機整機動力學方面的研究進展較為良好，能夠有效為航空發動機在實際運行中各類問題的研究提供參考依據。

參考文獻：

[1]史峰，杜建標，程禮.雙轉子動力學研究[J].機械與電子，2008（10）：56-58.

[2]熊純，都昌兵.雙轉子航空發動機轉子動平衡研究[J].長沙航空職業技術學院學報，2009（02）：33-36.

[3]陳果.雙轉子航空發動機整機振動建模與分析[J].振動工程學報，2011，06（13）：619-632.

[4]張大義，劉燁輝，洪杰等.航空發動機整機動力學模型建立與振動特性分析[J].推進技術，2015，05（05）：768-773.