[发明专利]面向石墨端面封严对转子系统动力学特性影响计算方法

说明书

本发明公开了一种面向石墨端面封严对转子系统动力学特性影响计算方法，步骤如下：建立转子涡动状态下石墨端面封严的横向激励载荷模型；在石墨端面封严的横向激励载荷模型基础上建立偏置盘转子‑石墨端面封严系统动力学方程；基于建立的偏置盘转子‑石墨端面封严系统动力学方程，计算转子的振动响应特征，分析石墨端面封严作用下转子动力学行为的演化规律；并通过计算石墨端面封严摩擦力的做功情况进一步得到石墨端面封严对转子系统振动响应的影响机理。本发明可得出石墨端面封严对转子动力学行为和稳定性的影响规律，并通过对摩擦的做功分析，进一步得出封严摩擦对转子振动响应影响的机理；为抑制摩擦激振、转子的平稳运行提供了理论基础。

技术领域

本发明属于转子动力学技术领域，具体涉及一种面向石墨端面封严对转子系统动力学特性影响计算方法。

背景技术

航空发动机作为一种高速旋转动力机械，结构中存在大量转-静接触面。为了提高其性能及热效率，发动机的压比和温度都不断升高，这对整机效率的要求越来越高。而接触面之间的间隙不仅给发动机性能带来损失，而且恶化了工作条件与环境，直接影响零组件的寿命、可靠性，甚至造成机件损坏，因此需要高效的封严装置针对机械界面进行动-静式封严。

石墨封严是航空发动机中广泛采用的封严结构之一，根据工作部位不同，可分为转子与静子结构之间的封严和两转子轴之间的封严，其中石墨端面封严是用于转子-静子间封严，属于接触式封严的一种。石墨端面封严结构包括静止的石墨构件以及与之接触配合的封严动环。封严动环套装在轴上随转子轴旋转，石墨环压装在安装座固定于静子部件上，安装座与静子部件间的波形弹簧将石墨环与封严动环压紧，起到密封作用。然而，当转子发生横向振动和摆动时，封严动环与石墨环之间发生相对的运动，其间的正压力将呈现非均匀分布，非均匀的弹簧正压力形成对封严动环的弯矩激励，以及产生对封严动环的横向激励力。激励载荷随着转子的涡动呈现时变非线性特点，将会对转子系统的动力学特性产生复杂影响。

由此可见，在转子运作过程中，石墨端面封严摩擦载荷对转子的动力学特性产生一定影响，但目前相关动力学机理尚未得到揭示，更缺乏针对此种转子-封严系统的动力学模型。因此，建立合理的转子-封严模型，从单盘转子非线性运动开展石墨端面封严摩擦激励对转子振动的影响规律研究是对转子动力学和非线性动力学前沿理论补充。深入研究石墨端面封严摩擦激励对转子运动失稳的作用机理，分析石墨端面封严摩擦激励下转子动力特性，可为抑制摩擦激振、转子的平稳运行提供理论基础，在航空发动机的安全性方面具有重要的现实科学意义和工程应用价值。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种面向石墨端面封严对转子系统动力学特性影响计算方法，以解决现有技术中接触式石墨封严对转子的影响难以定量分析的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种面向石墨端面封严对转子系统动力学特性影响计算方法，步骤如下：

1)建立转子涡动状态下石墨端面封严的横向激励载荷模型：根据某一微元处动环振动导致的静环与动环之间的轴向位移Δz的改变，进而得到该微元周向位置接触面处的摩擦力df_s，将摩擦力df_s进行分解，得到微元在x和y方向的摩擦力以及弯矩激励，沿周向进行积分，得到静环对动环的合力F_sx、F_sy和合力矩M_sx、M_sy；

2)在石墨端面封严的横向激励载荷模型基础上建立偏置盘转子-石墨端面封严系统动力学方程；基于拉格朗日能量法进行推导，将石墨端面封严提供的合力F_sx、F_sy作为外激励力代入方程，再代入由转子平动和摆动提供的动能E，得到偏置盘转子-石墨端面封严系统动力学方程；