[发明专利]基于动力吸振的共用支承结构的优化设计方法

说明书

一种基于动力吸振的共用支承结构的优化设计方法，以燃气发生器转子和共用支承结构过渡段作为动力涡轮转子的动力吸振器，通过刚度匹配方法实现发动机部件之间的动力吸振，在不增加结构重量的情况下实现发动机在全转速范围内均能稳定的运行，并且能够解决共用支承结构过渡段外支承热应力集中的问题，包括共用支承结构双转子系统的待优化模态及待优化节点确定方式，共用支承结构的关键刚度的选取方法和选取原则，以及需要使用的共用支承结构刚度组合优化参考图，最终得到的各关键刚度即为优化后的共用支承结构双转子系统，在降低动力涡轮转子振动方面具有明显优势，充分利用航空发动机的既有结构，有利于提升航空发动机的功率重量比/推力重量比。

技术领域

本发明涉及航空发动机设计和振动控制领域，具体是一种共用支承结构内部刚度的设计优化方法，用于带有该结构的航空发动机的减振设计。

背景技术

近年来，动力涡轮转子和燃气发生器转子共用承力框架的共用支承结构在新一代涡轴发动机中得到了广泛的应用。采用该结构能够有效缩短涡轴发动机的轴向长度，并且可以降低发动机的排气损失，因此，成为涡轴发动机减重和提高功重比的重要手段。由于共用支承结构位于燃气发生器涡轮和动力涡轮之间，工作时，环境温度高，存在高温带来的支承刚度弱化的问题。此外，由于共用支承结构同时承载工作转速不同的燃气发生器转子和动力涡轮转子，会出现转子之间的振动耦合现象。在常见的涡轴发动机中，燃气发生器转子一般为带有挤压油膜阻尼器的准刚性转子，在工作转速范围内仅有平动和俯仰两种模态，工作时，挤压油膜阻尼器减振效果较为显著好，振动问题较易解决。然而，涡轴发动机动力涡轮转子一般长径比较大，且涡轮盘一般位于转子一端，工作范围内需要跨越多阶弯曲模态，振型节点常常落在挤压油膜阻尼器位置，致使阻尼器失去减振效果。因此，与燃气发生器转子振动相比，动力涡轮转子振动问题更加突出，更加复杂，一直是涡轴发动机设计的难题。

目前，针对共用支承结构的主流设计方法为根据发动机的工作转速预设转子系统的临界转速，再根据临界转速和转子几何尺寸设计转子支承的刚度，在一般的共用支承结构双转子系统中，为防止两个转子之间振动互相干扰耦合，叠加产生更强的振动信号，因此一般设计中采用增强共用支承结构外支承刚度的方法，使共用支承结构外支承刚度远远高于转子中其他支承的刚度，以隔离两个转子之间的振动，这种设计方法被称为双转子系统的解耦设计方法。

但是，马艳红，曹冲等人在“涡轴发动机涡轮级间支承结构设计关键技术[J]”《航空发动机》,2014,40(4):7.(DOI:10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.04.007)一文中提出为降低共用支承结构的温度敏感性，改善共用支承结构在高温工作环境中带来的支承刚度弱化与热应力集中问题，保证在变温条件下的低应力分布与稳定的支承刚度极为重要，其主要方式之一即为降低共用支承结构外支承刚度，以减小热应力和刚度稳定性。由此可见降低共用支承结构外支承刚度的设计要求与解耦设计方法中提升共用支承结构外支承刚度的设计理念存在冲突。

对于共用支承结构耦合特性研究方面。较为代表性的有唐振寰，米栋等人在论文“轴承共腔-双转子系统耦合振动特性研究[J].《推进技术》,2022(002):043.中提出，以某型带有共用支承结构的先进民用涡轴发动机为例，建立了对应的非线性动力学模型，通过仿真分析认为，共用支承结构双转子系统的耦合振动主要表现为双转子之间的交叉激励现象，支承结构的角向刚度对耦合振动影响较大，通过缩短共腔结构内外安装边的轴向距离可以提升角向刚度，减弱耦合振动。洪杰，杨振川，王永峰，等在论文“航空发动机承力结构隔振设计方法及试验[J].《北京航空航天大学学报》,2019(1):8.”(DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0196)中以某涡轴发动机的共用支承结构承力框架为对象，将共用支承结构离散为多个不同的结构单元，通过数值仿真和实验分析了共用支承结构与涡轮机匣之间的振动传递特点和振动传递系数，利用板壳支承结构的非连续性设计实现结构内较大的机械阻抗及良好的隔振性能。