机动飞行条件下航空发动机双转子动力学实验研究_杨蛟 (1)

2014年第33卷9月第9期机械科学与技术

MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringSeptemberVol．332014No．9

DOI：10．13433/j．cnki．1003-8728．2014．0931

机动飞行条件下航空发动机双转子动力学实验研究

2，32，3

杨蛟1，，曹树谦1，

（1天津大学机械工程学院，天津300072；2天津市非线性动力学与混沌控制重点实验室，天津

3

300072；

天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072）

摘要：利用基础运动的航空发动机双转子模型实验台分别模拟飞机在进行俯仰运动、横滚运动和偏

航运动时系统的振动，研究了机动飞行对双转子系统的动力学特性的影响。实验结果表明，飞机作横滚匀速运动、俯仰匀速运动时在内外转子上产生的瞬态附加离心力和附加陀螺力矩对系统振动瞬态幅值有很大的影响，总结了不同机动飞行条件对航空发动机双转子的动力学响应的影响特点。关键词：机动飞行；航空发动机双转子；动力学特性；实验中图分类号：V23

文献标识码：A

文章编号：1003-8728（2014）09-1434-05

ExperimentalStudyonTheDual-rotorDynamicsofAeroengine

SubjectedtoManeuveringConditions

2，32，3

YangJiao1，，CaoShuqian1，

（1SchoolofMechanicalEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072；2TianjinKeyLaboratoryofNonlinear

DynamicsandChaosControl，Tianjin300072；3StateKeyLaboratoryofEngines，TianjinUniversity，Tianjin300072）

Abstract：Byusingamodelexperimentrigofdual-rotorsystemofaeroengineunderbasemovements，thedual-rotor

systemvibrationwhenanaircraftisinhovering，pitchingandrollingmotionissimulated，theinfluenceoverdynamiccharacteristicsofthedualrotorsystemundermaneuveringconditionsisstudied．Theexperimentalresultsshowthatthetransientaircraftadditionalcentrifugalforceandgyroscopicmomentgeneratedintheinternalrotorandtheexternalrotorinrollingandpitchingmotionhaveagreatinfluenceonthesystemtransientvibrationamplitude，thedynamicresponseinfluencecharacteristicsofthedual-rotorofaeroengineunderdifferentflightconditionsis

summarized．

Keywords：aero-enginedual-rotor；aircraftengines；angularvelocity；computersimulation；dynamicresponse；

dynamicalcharacteristic；experiments；maneuver；rotors；vibrations（mechanical）

航空燃气涡轮发动机大多数都采用双转子结构，其结构特点是：整机质量轻，转子系统的总体设计刚度小；支承方案复杂，高压转子和低压转子之间的耦合大；转子转速高，各转动部件之间的间隙小。航空发动机往往是在机动飞行的条件下工作的，其转子系统的动力学特性与固定基础上的地面转子系统有很大不同。

M．Sakata等［1-2］针对简支的柔性转子系统基础在转动时的稳态响应进行了分析通过系统建模、编程计算和实验的方法，对系统在俯仰运动条件下的动力学特性进行了分析。Ganiev和Lyutyi［3］用解析法研究了刚性陀螺仪-刚性轴承系统基础在受到三个外部正弦加速度激励下的稳定性问题。N．Driot等［4］对强制位移基础激励下的柔性转子系统的动力学行为进行了分析。M．Duchemin［5］通过理论和

收稿日期：2013-03-12

基金项目：天津市自然科学基金项目（11JCZDJC25400）资助作者简介：杨蛟（1988－），硕士研究生，研究方向为非线性转子动力

学理论及应用，机械振动与控制，jiaoyang@tju．edu．cn；曹树谦（联系人），教授，博士，sqcao@tju．edu．cn

实验的方法研究了基础运动下的弹性转子系统的动力学行为。徐敏等［6］建立了定常水平盘旋、俯冲拉起这两种典型机动飞行条件下双盘悬臂转子线性系统的运动学方程，研究了飞行器在此飞行状态下转子系统的振动特性；林富生和孟光［7-8］针对Jeffcott

第9期杨蛟等：机动飞行条件下航空发动机双转子动力学实验研究1435

转子模型，研究了飞机在铅直面和水平面内做恒定角速度和恒定加速度运动时转子系统动力特性的变化规律。任兴民等［9］针对带有裂纹的Jeffcott转子系统，研究了飞机的俯冲拉起运动对转子系统的动力特性的影响规律。祝长生等［10-11］用数值方法研究了几种典型的机动飞行条件下不平衡多盘、多质量的柔性转子线性系统的动力学特性。赵春娥［12］使用数值方法研究了俯仰角速度、飞行速度、加速度、转速等参数对转子系统的影响规律。

使用自主建设的基础运动航空发动机双转子模型实验台分别开展了横滚运动、俯仰运动和偏航运动等机动飞行条件下双转子结构的动力学实验，给出了不同机动飞行条件对航空发动机双转子的动力学响应的影响特点。

内径D2=30mm，长l2=180mm，外转盘外44mm，

径D3=100mm，m2=0.72kg，Jp2=757kg·mm2；弹刚度k=105N/mm。性模量E=2×105mm2，

实验中使用两个电涡流传感器，分别对转轴水平方向X和铅直方向Y的振动进行测量。为了定量地研究3种机动飞行条件对双转子系统响应产生的影响，作者在基础以不同速度转动的条件下开展了多组实验，因为系统的动力学响应在基础转动速度为0.872rad/s（50°/s）时较为显著，选取基础转总结了机动飞行动速度0.872rad/s（50°/s）为例，

条件对双转子系统动力学响应的影响规律。

2机动飞行对单转子和双转子响应的

影响规律

选取了典型的俯仰运动、横滚运动和偏航运动条件，对不同工况下双转子系统中内转子的响应进行测试。2.1

俯仰运动

俯仰运动转向与内转子转向相同。分别对内转子转速1200r/min、外转子转速0和内转子1200r/min、外转子1000r/min两种不同工况下内转子的响应进行了测试。其结果如图2和图3所示

。

1基础运动航空发动机双转子动力学

实验台及其测试系统

针对航空发动机转子，自主设计并建设了一套可以模拟机动飞行条件下的航空发动机双转子结构的实验台，用来研究机动飞行（包括俯仰运动、横滚运动和偏航运动等多种姿态运动）对双转子动力学特性影响。实验台具备多种功能，能够真实地模拟航空发动机转子在偏航、俯仰、横滚、偏航和俯仰耦合、偏航和横滚耦合等机动飞行条件下真实的工作情况，双转子结构能够实现高、低压转子同向、反向旋转，系统支承方案（支承刚度、支承阻尼、中介轴承类型等）可灵活调整，可在机动飞行条件下开展一系列非线性（挤压油膜阻尼器非线性油膜力、滚珠轴承变刚度、滚动轴承非线性接触力等）动力学实验和故障实验（轴承故障、转静子碰磨等）。

整套实验系统依靠基础转台为双转子实验台提供姿态运动，模拟航空发动机转子在多种机动飞行条件下的工作情况；使用电涡流传感器、信号放大器、数据采集仪等数据

采集系统，对转子系统的动力学响应进行了测试与分析。基础运动航空发动机双转子动力学实验台及其测试系统如图1所示。

结构参数如下：内转子轴径d=10mm，长l1=400mm；内转盘外径d2=80mm，质量m1=0.36kg，转动惯量Jp1=282.3kg·mm。外转轴外径D1=

2

图1实验台及其测试系统

图2内转子X方向的振动平衡位置（俯仰角速度50°/s）

从图2和图3中可以看出，外转子转速为0时，俯仰运动对转子系统X方向上的振动平衡位置产生了2倍的瞬态偏移量，当外转子转速为1000r/min时，由于中介轴承的存在，瞬态偏移量减小至1倍；外转子转速为0时，在Y方向上的振动平衡位置产生了2.5倍的瞬态偏移量，当外转子转速为1000r/min时，由于中介轴承的存在，瞬态偏移量减小至2倍。

1436机械科学与技术第33

卷

图5

图3内转子Y方向的振动平衡位置（俯仰角速度50°/s）内转子Y方向的振动平衡位置（横滚角速度50°/s）2.3偏航运动

偏航运动顺时针方向转动，内转子顺时针转动。2.2横滚运动

横滚运动转向与内转子转向相同。分别对内转子分别对内转子转速1200r/min、外转子转速0和内转

子1200r/min、外转子1000r/min两种不同工况下内转子的响应进行了测试。其结果如图6和图7所示

。转速1200r/min、外转子转速0和内转子1200r/min、

外转子1000r/min两种不同工况下内转子的响应进行了测试。其结果如图4和图5所示

。

图6内转子X方向的振动平衡位置（偏航角速度50°/s

）

图4内转子X方向的振动平衡位置（横滚角速度图50°/s）

从图4和图5中可看出，外转子转速为0时，横滚

运动对转子系统X方向上的振动平衡位置产生了2.5倍的瞬态偏移量，当外转子转速为1000r/min时，由于中介轴承的存在，瞬态偏移量增大至5.5倍；外转子转速为0时，在Y方向上的振动平衡位置产生了3.5倍的瞬态偏移量，当外转子转速为1000r/min时，由于中介轴承的存在，瞬态偏移量减小至2.5倍

。图7内转子Y方向的振动平衡位置（偏航角速度50°/s）

第9期杨蛟等：机动飞行条件下航空发动机双转子动力学实验研究1437

从图6和图7中可以看出，偏航运动时，中介轴承的存在对X方向和Y方向上内转子振动平衡位置的影响很小。

3横滚运动对内转子响应的影响规律

针对横滚运动，研究了双转子动力学响应的变

图9

内转子X方向的振动平衡位置-横滚角速度图

化规律。实验工况：内转子转速1200r/min，外转子转速1000r/min，基础以不同的转动速度工作，基础转动角度均为45°。定义瞬态变化前振动平衡位置为稳态位置1，瞬态变化后振动平衡位置为稳态位置2。

横滚运动的方向与内转子转向相同时，轴心X方向平衡位置运动规律如图8和图9所示

。

基础作横滚运动时，得出两条规律：

1）由图8可以看出，当基础作匀速横滚运动时，双转子中内转子在X方向的平衡位置在水平飞行时处于稳态位置1，经过一个瞬态减小的的偏移，达到瞬态最大值，然后在增大到稳态位置2。基础以3.488rad/s的速度作横滚时，瞬态偏移量可达到稳态位置的6倍。

2）由图9可以看到，随着基础横滚运动的速度的增大，X轴平衡位置的偏移量越来越大。

内转子轴心Y方向运动规律如图10、图11所示

。

图8内转子X

方向的振动平衡位置瞬态偏移图

图10内转子Y方向的振动平衡位置瞬态偏移图

1438机械科学与技术第33

卷

［5］DucheminM，BerliozA，FerrarisG．Dynamicbehavior

J］．Journalandstabilityofarotorunderbaseexcitation［ofVibrationandAcoustics，2006，128：576-585［6］徐敏，廖明夫．机动飞行条件下带挤压油膜阻尼器的

Jeffcott转子系统的振动特性［J］．航空动力学报，2003，18（3）：394-401

XuM，LiaoMF．Thevibrationperformanceofthe

图11

内转子Y方向的振动平衡位置-横滚角速度图

JeffcottrotorsystemwithSCDinmaneuverflight［J］．JournalofAerospacePower，2003，18（3）：394-401（inChinese）

7］林富生，孟光．飞行器机动飞行时发动机转子等变速［

运动的动力学特性研究［J］．航空学报，2002，23（4）：356-359

LinFS，MengG．Dynamicsofamaneuveringrotorinconstantaccelerationanddeceleration［J］．（inChinese）

［8］林富生，孟光．机动飞行飞行器内具有初始弯曲和刚

度不对称的转子运动模型［J］．航空动力学报，2002，17（5）：610-614

MengG．MathmaticalmodelingofmaneuveringLinFS，

asymmetricrigidityrotorwithinitialbending［J］．JournalofAerospacePower，2002，17（5）：610-614（inChinese）

［9］杨永锋，任兴民，秦卫阳．水平盘旋下裂纹转子的非

线性响应［J］．航空动力学报，2007，22（6）：1007-1012YangYF，ＲenXM，QinWY．StudyofnonlinearresponseofcrackedJeffcottrotorinhoveringstate［J］．JournalofAerospacePower，2007，22（6）：1007-1012（inChinese）

［10］祝长生，陈拥军．机动飞行时航空发动机转子系统的

振动特性［J］．航空学报，2006，27（5）：835-841

［1］SakataM，KimuraK，ParkSK，etal．Vibrationof

bladedflexiblerotorduetogyroscopicmoment［J］．JournalofSoundandVibration，1989，131：417-430

［2］SakataM，KimuraK，OkamotoS，etal．Vibration

analysisofahighspeedandlightweightrotorsystemsubjectedtoapitchingorturningmotion，I：arigidrotorsystemonflexiblesuspensions［J］．JournalofSoundandVibration，1995，184（5）：871-885［3］GanievＲF，LyutyiAI．Stabilityofagyroscopeona

vibratingbaseinresonanceconditions［J］．JournalofInternationalAppliedMechanics，1972，8：43-50［4］Driot1N，LamarqueCH，BerliozA．Theoreticaland

experimentalanalysisofabase-excitedrotor［J］．JournalofComputationalandNonlinearDynamics，2006，（1）：257-263

ZhuCS，ChenYJ．

Vibrationcharacteristicsof

aeroengine'srotorsystemduringmaneuveringflight［J］．ActaAeronauticETAstronauticSinica，2006，27（5）：835-841（inChinese）

11］祝长生，陈拥军．机动飞行时发动机转子系统动力学［

统一模型［J］．航空动力学报，2009，24（2）：371-377ZhuCS，ChenYJ．Generaldynamicmodelofaeroengine'srotorsystemduringmaneuveringflight［J］．JournalofAerospacePower，2009，24（2）：371-377（inChinese）

［12］赵春娥．俯仰运动条件下航空发动机转子动力学特

性研究［D］．天津：天津大学，2012

ZhaoCE．Dynamicsresearchofaeroengine'srotorunderpitchingmovementcondition［D］．Tianjin：TianjinUniversity，2012（inChinese）

Acta

2002，23（4）：356-359AeronauticETAstronauticSinica，

从图10和图11中可以看出，在基础做横滚运动时，双转子中内转子在Y方向的平衡位置的偏移规律和X方向类似，但明显没有X方向剧烈。所以，在基础作横滚运动时对双转子系统内转子在X方向的振动平衡位置的影响很明显。

4结论

1）不同的机动飞行条件对航空发动机双转子

的动力学响应影响不同。俯仰运动对转子系统的影响主要表现在竖直方向，转子振动平衡位置在竖直方向上的瞬态偏移量随着俯仰角速度的增大而增大。

2）横滚运动对转子系统的影响主要表现在水平方向，转子振动平衡位置在水平方向上的瞬态偏移量随着俯仰角速度的增大而增大。

3）偏航运动对转子系统的振动影响并不大，并且双转子系统在基础运动的情况下表现出了与单转子系统不同的特点。

［参考文献］