● 摘要
高性能航空发动机转子支承系统的设计，为考虑其飞机良好的机动性能，要求发动机在较宽的转速范围内稳定工作，大多设计成准刚性转子，规定一阶弯曲临界高于最大工作转速的120％，而支承临界(平移弯曲和俯仰弯曲)低于慢车转速的80％。同时以不断优化结构效率来达到充分利用材料特性和缩小发动机转静件间的间隙来提高推力／重量比，加之转静件结构大多采用封严措施，使之达到最小间隙，如此极易引发转静件碰摩，导致整机振动的增大。再有鉴于发动机压气机转子鼓筒式较多，积油现象时有发生，致使发动机产生自激振动；加之诸多研究者对非线性振动(碰摩、腔体积油、松动等)的研究几乎都针对弯曲转子或是Jeffcott转子，为此需要研究者对准刚性转子系统的各种非线性振动特征加以研究，以确保发动机的结构完整性和可靠性。基于上述理由，本文开展了如下工作。(1)基于转静件间的碰摩力分为线性碰摩力和非线性碰摩力两种，提出航空发动机经常发生的转静件碰摩的力学模型属于非线性类，即赫兹接触模型。并进一步简化为Duffing方程，从中解析证明当转静件接触形式和接触力满足一定条件后，其振动响应特征会出现次谐波、高次谐波和高阶谐波等分量。并仿真计算给出非线性碰摩力作用下的单转子系统振动响应特征。(2)基于航空发动机双转子结构特点，考虑在双转子结构发生单转子碰摩时的振动特征会产生变化，根据结构模态相似理论，利用发动机的动力学计算模型，考虑转子支承与机匣相互作用，设计了带转静件碰摩的双转子模型。并根据第二章提出的非线性接触力模型，解析验证了双转子结构在发生单转子碰摩时会产生两个转子频率组合谐波分量，且获得了不同碰摩力作用下的双转子系统的振动响应特性。(3)利用Jeffcott碰摩转子模型和带机匣碰摩转子模型，分别进行了各种类型的碰摩试验，并在带机匣准刚性碰摩转子模型中，考虑单点、双点和局部碰摩的试验研究，给出了转静件碰摩状态下的时域、频域、转子轨迹和相位图，分析了振动特征和现象。同时还在机匣上安装了力传感器、叶片上粘贴了应变计，成功地测得转静件碰摩过程中叶片所承受的冲击力和振动应力，表明在碰摩过程中，由于接触力的复杂性，很难激起叶片共振。(4)基于某型发动机高压转子0－2－0支承结构形式，利用相似理论建立的带机匣双转子系统转静件碰摩的模型转子试验器，采用垂直、水平相位差90度的电磁激振器模拟低压转子不平衡激振，首次精准地再现了该型发动机在研制期间发生的转静件碰摩振动特征。同时也验证了需在较大的碰摩接触力情况下，或是碰摩刚度远大于支承刚度时，才出现其组合谐波、次谐波和高次次谐波等。并列举了发动机型号研制中出现的碰摩故障特征，结果表明与本文计算和模型实验的结果非常吻合。(5)基于转、静子之间碰摩的非线性因素的影响，利用修改的碰摩转子动力学模型和运动微分方程。分别提取了系统转速、偏心量、速度影响系数以及碰摩间隙作为分岔参数，利用数值仿真研究了碰摩转子系统的分岔与混沌特性。研究了在转子系统出现碰摩故障时，系统在亚临界转速区、临界转速区和高频运转阶段的稳定性问题。并对偏心量、速度和间隙变化所带来的转子系统稳定性问题进行了研究。(6)基于转子腔体积油故障转子动力学和积油团的力学运动特性建立了转子系统的动力学模型，其中考虑了油团的正压力、磨擦力的作用，完成了动力学仿真，得到了积油故障转子系统的振动仿真结果。结果表明，转盘腔体内的积油对转子系统的振动有着显著的影响，当转速超过系统一阶临界转速后，积油团运动轨迹与转子运动轨迹出现不同步进动，造成转子的振幅不断增大而失稳。