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高速转子连接结构刚度损失及振动特性

洪杰 徐翕如 苏志敏 马艳红

洪杰, 徐翕如, 苏志敏, 等 . 高速转子连接结构刚度损失及振动特性[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(1): 18-25. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0222
引用本文: 洪杰, 徐翕如, 苏志敏, 等 . 高速转子连接结构刚度损失及振动特性[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(1): 18-25. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0222
HONG Jie, XU Xiru, SU Zhimin, et al. Joint stiffness loss and vibration characteristics of high-speed rotor[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(1): 18-25. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0222(in Chinese)
Citation: HONG Jie, XU Xiru, SU Zhimin, et al. Joint stiffness loss and vibration characteristics of high-speed rotor[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(1): 18-25. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0222(in Chinese)

高速转子连接结构刚度损失及振动特性

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0222
基金项目: 

国家自然科学基金 51575022

国家自然科学基金 11672017

详细信息
    作者简介:

    洪杰 男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:航空发动机转子动力学、航空发动机整机动力学、智能结构与新型阻尼材料等

    马艳红 女, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:航空发动机整机动力学、旋转机械振动控制、智能结构与新型阻尼材料等

    通讯作者:

    马艳红, E-mail: mayanh2002@163.com

  • 中图分类号: V231.96

Joint stiffness loss and vibration characteristics of high-speed rotor

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51575022

National Natural Science Foundation of China 11672017

More Information
  • 摘要:

    高负荷航空发动机转子的转速和支点跨度不断加大,使得转子弯曲刚度下降,并在工作中具有一定弯曲变形。转子弯曲变形时,连接界面会存在刚度损失,需考虑转子弯曲变形对连接界面刚度特性及转子系统振动特性的影响。提出了定量描述连接界面刚度损失的力学模型,并针对非连续转子系统的动力学设计,提出了基于应变能分布优化的连接结构刚度损失抑制方法。数值仿真结果表明:转子弯曲变形下,连接界面刚度损失显著,会使转子弯曲临界转速大幅降低;通过转子应变能分布优化设计可有效降低连接界面刚度损失对转子系统振动特性的影响,对转子系统振动特性优化设计具有重要的指导意义。

     

  • 图 1  先进涡轴发动机

    Figure 1.  Advanced turboshaft engine

    图 2  带连接界面的非连续结构

    Figure 2.  Discontinuous structure with joint interfaces

    图 3  连接界面有效接触面积示意图

    Figure 3.  Schematic of effective contact area of joint interface

    图 4  连接界面应力等效模型

    Figure 4.  Stress equivalent model of joint interface

    图 5  非连续结构转角不连续示意图

    Figure 5.  Schematic of discontinuous rotation of discontinuous structure

    图 6  三级轴流压气机试验器转子结构

    Figure 6.  Rotor structure of three-stage axial compressor tester

    图 7  弯曲振型及其应变能分布

    Figure 7.  Bending mode of vibration and its strain energy distribution

    图 8  连接界面接触状态及接触正应力

    Figure 8.  Joint interface contact state and contact normal stress

    图 9  接触模型与刚度修正模型变形总位移云图

    Figure 9.  Contour of total displacement deformation of contact model and stiffness correction model

    图 10  弯曲振型下连接结构应变能随前支点支承刚度的变化

    Figure 10.  Variation of strain energy of joint structure with support stiffness of front bearing under bending mode of vibration

    表  1  弯曲振型下连接结构应变能占比

    Table  1.   Ratio of strain energy of joint structure under bending mode of vibration

    %
    连接结构 止口A 止口B 止口C 止口D
    应变能占比 0.7 1.1 1.8 2.9
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    表  2  界面接触面积修正系数

    Table  2.   Interfacial contact area correction coefficient

    界面总面积的抗弯刚度EI/(Pa·mm4) 有效接触面积抗弯刚度EI′/(Pa·mm4) 界面接触面积修正系数η1
    1.5×104 0.82×104 0.55
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    表  3  界面应力修正系数

    Table  3.   Interfacial stress correction coefficient

    等效线性应力分布 等效抗弯刚度EI″/(Pa·mm4) 界面应力修正系数η2
    σx=1.19×104y+5.16 0.72×104 0.88
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    表  4  界面弯曲变形修正系数

    Table  4.   Interfacial bending deformation correction coefficient

    受力状态 有效接触面积/mm2 界面弯曲变形修正系数η3
    装配状态 1 170.7
    弯曲变形 956.2 0.82
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    表  5  各连接结构刚度综合修正系数

    Table  5.   Comprehensive correction coefficient of stiffness for different joint structures

    连接结构 止口A 止口B 止口C 止口D
    刚度综合修正系数 0.86 0.77 0.63 0.40
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    表  6  刚度损失对转子系统临界转速的影响

    Table  6.   Effect of stiffness loss on critical speed of rotor system

    振型 临界转速/(r·min-1) 考虑刚度损失后临界转速下降比例/%
    不考虑刚度损失 考虑刚度损失
    平动 8 640 8 460 2
    俯仰 16 140 15 720 3
    弯曲 55 020 42 915 22
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    表  7  优化后刚度损失对转子系统临界转速的影响

    Table  7.   Effect of stiffness loss on critical speed of rotor system after optimization

    振型 临界转速/(r·min-1) 考虑刚度损失后临界转速下降比例/%
    不考虑刚度损失 考虑刚度损失
    平动 9 745 9 581 2
    俯仰 18 086 17 728 2
    弯曲 62 564 54 436 13
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-23
  • 录用日期:  2018-07-28
  • 刊出日期:  2019-01-20

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