温度场对转子系统响应特性影响的分析

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1、文章编号：2095-1248（2014）05-0008-04温度场对转子系统响应特性影响的分析张永旺，王克明，王艳琳，李全成（沈阳航空航天大学航空航天工程学部（院），沈阳110136）摘要：建立了一个轴向可自由伸缩的单转子系统计算模型，采用有限元法分析了温度场对单转子系统响应特性的影响。参考发动机转子系统的加热对流的边界条件，利用ＡＮＳＹＳ软件构造了该转子系统的瞬态温度场。分别在常温状态下和考虑温度场情况下，计算了转子系统的不平衡响应并进行了对比分析。结果表明，随着温度的升高，第三阶共振频率的相对误差最大达到11.2％。关键词：温度场；转子系统；振动

2、响应；有限元中图分类号：Ｖ231.96文献标志码：Ａdoi：10．3969／ｊ．ｉｓｓｎ．2095-1248．2014．05．002AnalysisoftheeffectsoftemperaturefieldonrotorsystemresponsecharacteristicsＺＨＡＮＧＹｏｎｇ-ｗａｎｇ，ＷＡＮＧＫｅ-ｍｉｎｇ，ＷＡＮＧＹａｎ-ｌｉｎ，ＬＩＱｕａｎ-ｃｈｅｎｇ（ＦａｃｕｌｔｙｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ110136，Ｃｈｉｎａ）Abstrac

3、t：Ａｒｏｔｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈｃａｎｅｘｐａｎｄｆｒｅｅｌｙｉｎｔｈｅａｘｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｔｈｉｓｐａ-ｐｅｒ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｎｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｉｓｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｗｉｔｈｆｉｎｉｔｅｅｌｅ-ｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｗｉｔｈｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｒｏ-ｔｏｒｓｙｓ

4、ｔｅｍｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｉｔｈＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｔｗｏｄｉｆ-ｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｎａｍｅｌｙ，ｉｇｎｏｒｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ａｎｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｒｅｃａｌｃｕ-ｌａｔｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎ

5、ｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｏｆｔｈｉｒｄｏｒｄｅｒｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｐｔｏ11.2％．Keywords：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅ；ＦＥＭ目前，对于转子系统振动的研究广泛集中在模块，分别计算了常温状态下和考虑温度场状态均匀温度场引起的热膨胀，弹性模量随温度的变下的转子系统不平衡响应，从而分析变化的温度［3］化对转子系统振动特性的影响，转子热弯曲稳态场对转子系统响应特性的影响。［1］响应计算方法研究。对于实际的旋转机械，运行时要经历

6、启动、停机、工况和负荷变化等各种情1算例结构模型［2］况，温度的变化对系统的特性有很大的影响。因此，非常有必要对转子系统在温度场下的响应本文根据单转子航空发动机，简化出如图1特性进行研究。本文利用ＡＮＳＹＳ的谐响应分析所示的算例模型，其中左边4个盘表示压气机盘，收稿日期：2013-11-07作者简介：张永旺（1988-），男，河南新乡人，硕士研究生，主要研究方向：航空发动机强度、震动及噪声，Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｏｎｇｗａｎｇ163@126．ｃｏｍ；王克明（1954-），男，辽宁沈阳人，教授，主要研究方向：航空发动机强度、震动及噪声，Ｅ-ｍａｉｌ

7、：ｗｋｍ308@126．ｃｏｍ。第5期张永旺，等：温度场对转子系统响应特性影响的分析9右边一个盘代表涡轮盘，转子转轴长0.5ｍ，直径响会使涡轮转子盘片结构的振动特性发生改变。0.02ｍ；轮盘厚度为0.02ｍ，直径0.16ｍ；两轴承2.2在对流载荷作用下形成的转子系统瞬态6刚度相同，均为1×10Ｎ／ｍ，分别位于最左端和温度场距离左端点0.4ｍ处；转轴和转盘的密度均为在对流载荷作用下模拟发动机的高温燃气与337.8×10ｋｇ／ｍ，弹性模量随温度变化如表1所转子间的热对流，以及热传导。转子和转盘的导热示，泊松比为0.3。系数都50Ｗ／（ｍ·℃），比热容为4

8、60Ｊ／（ｋｇ·℃），模拟燃气温度为1000℃，对流换热系数为600Ｗ／ｍ·ｋ。图2、图3分别为200ｓ和5