【摘 要】
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旋转机械在航空及航天领域中得到广泛的应用。在发动机研究领域当中,转子叶尖与机匣内壁之间的距离称为叶尖间隙,为了减轻重量、提高压气机效率、追求高推重比,叶尖与机匣之间的间隙要尽可能小。小的叶尖-机匣间隙能够减少气体的泄漏,但同时也更容易引起叶尖碰摩的发生。碰摩将引起复杂的振动响应并降低叶片及机匣的寿命。叶片-机匣碰摩是一个非常复杂的过程,因此研究叶片-机匣碰摩动力学特性具有重要的理论意义。本文主要以
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(No.11772089); 教育部基金科研业务费项目(N160313004,N150305001,N160312001,N140301001); 项目名称:航空发动机旋转叶片-涂层机匣碰摩机理及动力学特性研究(项目编号:No.U1433109),国家自然科学基金委与中国民用航空局联合资助项目,起止
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旋转机械在航空及航天领域中得到广泛的应用。在发动机研究领域当中,转子叶尖与机匣内壁之间的距离称为叶尖间隙,为了减轻重量、提高压气机效率、追求高推重比,叶尖与机匣之间的间隙要尽可能小。小的叶尖-机匣间隙能够减少气体的泄漏,但同时也更容易引起叶尖碰摩的发生。碰摩将引起复杂的振动响应并降低叶片及机匣的寿命。叶片-机匣碰摩是一个非常复杂的过程,因此研究叶片-机匣碰摩动力学特性具有重要的理论意义。本文主要以旋转叶片-机匣为研究对象,基于Timoshenko梁理论及板壳理论,采用Hamilton变分原理以及伽辽金截断法,建立多载荷作用下的旋转叶片动力学模型。研究不同外激励下叶片及机匣的振动特性,在叶片升速、降速及定转速过程中,讨论了叶片和机匣相关参数对叶片-机匣碰摩振动响应的影响。本文主要开展了以下几方面工作:(1)基于Timoshenko梁理论,采用Hamilton变分原理,建立了多载荷激励下的旋转悬臂预扭梁数学模型,分析了叶片安装角及扭转角对悬臂预扭梁固有特性的影响,并通过与有限元结果的对比,验证了模型的准确性。(2)基于板壳振动理论及板的能量方程,考虑离心刚化,旋转软化以及科氏力的影响,采用能量法推导了带有安装角的旋转悬臂预扭板的动力学方程,并通过与有限元方法得到的固有特性进行对比,验证了模型的有效性。(3)在旋转悬臂预扭梁模型及叶片-机匣碰摩力模型的基础上,建立了考虑碰摩的叶片系统动力学模型,通过数值积分法(Newmark-β法)求解升降速及定转速过程中的叶片-机匣碰摩响应,分析了叶片旋转过程中碰摩所激发共振响应及瞬时特性,总结了其振动规律。(4)基于旋转预扭板模型,考虑叶片旋转轴与机匣中心轴之间的静态角不对中及平行不对中,提出了一个新的旋转叶片-机匣碰摩模型。针对离心力及气动力组合作用下叶尖-机匣可能发生的点碰摩及局部碰摩,分析了叶片只在离心力和气动力作用下系统的振动响应,讨论了在升降速及定转速过程中叶片安装角、扭转角及机匣刚度等参数对叶片振动响应的影响。
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