航空发动机联接结构转子非线性动力学理论与实验研究

The rotor systems of aeroengines are consist of several different components with different assembly form, where the structure of numerous joint surfaces are complex. The spatial distribution and connection mode of components and connectors affect the overall behavior of the engine rotor systems, furthermore, since the parameters of assembly process and dynamics are time-varying, which may cause the abnormal vibration and behavior degradation of rotor systems. Therefore, the investigation of dynamic characteristics of rotor systems with connection structure is urgently needed. Focused on advanced turbofan engines’ connecting rotor systems, combining the Hertz contact theory, algorithms of NARX model identification, harmonic balance method, transfer matrix method and the model experimental study, the nonlinear dynamic characteristics of complex rotor systems with connection structure will be investigated in the present project. Firstly, based on the establishment of equivalent model of each connection structure, the holistic dynamic model of complex rotor systems will be developed. After that, the effect and sensitivity on the connection structure of rotor systems’ dynamic behavior will be studied. Moreover, based on the theory of similarity and nonlinear dynamics, the study of dynamic similarity theory on connecting rotor systems will be developed. Finally, model tests will be employed to validate the results. The present project can lay the theoretical foundation of addressing the prediction and control of the stability and behavior of connecting rotor systems, especially the degradation of the systems’ behavior due to the connection structure of rotating machines such as aeroengines.

航空发动机转子系统是由多个不同零件以不同形式联接装配而成，联接面多且结构复杂，联接件空间分布及其联接方式影响着发动机转子系统整体性能，并且其装配工艺参数和动力学参数有时变性，常引起转子振动异常和性能退化。因此，对带有联接结构的转子系统开展动力学特性研究具有迫切需求。本项目以先进涡扇航空发动机联接转子系统为对象，将赫兹接触理论、NARX模型辨识方法、谐波平衡法和传递矩阵法相结合，并结合模型实验，开展带联接结构的转子系统非线性动力学特性研究。首先，在建立各联接结构等效模型的基础上，建立复杂转子系统整体动力学模型。然后，研究联接结构转子系统的动力学特性影响规律及敏感性，进而基于相似理论与非线性动力学理论，进行联接转子系统的动力学相似理论研究。最后，进行模型试验验证研究。本项目可为解决航空发动机等旋转机械的联接转子性能和稳定性预测与控制，特别是由于联接结构所导致的系统性能退化等问题奠定理论基础。

航空发动机是飞机的关键动力装备，是一种高度复杂和精密的热力机械，也是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。然而，作为其核心部分的转子系统结构形式复杂，工作条件恶劣，导致振动问题十分突出。转子系统联接方式主要包括：螺栓联接、套齿联接、止口联接等，众多联接也引入了大量的接触界面，界面的滑移、分离、错动、松动等行为直接影响系统的可靠性、安全性及寿命。同时，零件和联接件的空间分布及其联接方式与转子系统刚度特性紧密相关，决定着发动机转子的整体性能和稳定性。随着国防及社会发展的需求日渐提高，发动机在大推重比、高强度、轻量化等方面的要求也随之提升，优化其联接装配方法，提高发动机的振动稳定性为重中之重。.本项目以先进涡扇发动机为典型研究对象，针对航空发动机联接结构复杂的非线性动力学理论分析问题，重点开展考虑工艺特征参数和动力学特征参数的航空发动机联接结构转子建模方法及其实验模型动力学相似理论研究。研究考虑联接结构的航空发动机转子非线性动力学问题，将获得联接结构参数、材料参数、振动特征参数与典型故障的动力学相似关系及其振动敏感性规律，获得联接结构参数、工艺参数和装配参数对转子非线性动力学特性影响规律，揭示联接结构转子动力学性能退化产生机理，在此基础上，开展预紧力对系统响应影响实验、螺栓联接转子NARX模型实验、转子系统固有特性测试实验和转子系统非线性振动响应相似实验，研究转子动力学特征，具体包括固有频率、临界转速、振型、自动定心、非共振响应等，验证理论分析的准确性，为解决航空发动机转子振动过大奠定理论基础。.本项目为研究联接结构转子动力学特性和工程应用提供针对这些结构参数和特征参数的评价准则，从而在设计和排故阶段，为进行航空发动机转子动力学分析提供理论依据。研究成果对复杂旋转结构系统及设备的实验、设计、制造和维护都具有重要意义。