叶片-机匣系统碰摩振动响应分析.pdf

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1、第34卷第2期V01．34No．22014年4月Apr．2014叶片一机匣系统碰摩振动响应分析太兴宇，马辉，谭祯，闻邦椿(东北大学机械工程与自动化学院沈阳，110819)摘要针对弹性叶片机匣碰摩问题，将叶片等效为离心载荷和气动载荷作用下的悬臂梁，由哈密顿原理推导出旋转叶片的运动微分方程；同时将机匣简化为单质量弹簧一阻尼模型，考虑其径向振动。在某个接触瞬时，基于机械能叫H守恒和叶片与机匣的位移关系，推导了弹性叶片与弹性机匣间的碰摩表征模型，并基于这种模型分析了不同工况下叶片一机匣的耦合振动。结果表明，机匣的振动会导致叶片的不稳定运动，并激起叶片的1阶弯曲动频，通过增加机匣质量、减小机匣刚度以及增

2、加转速都可以提高叶片的运动稳定性。通过对接触过程中机匣能量的研究发现，V减小机匣刚度会吸收更多的碰撞能量，但同时会增加机匣的振动位移。振动．呈关键词弹性叶片一机匣；碰摩；表征模型；耦合振动；运动稳定性中图分类号TK4与现不稳定的情况。引言根据实验测试和接触动力学仿真获得的叶片一＆一机匣局部接触碰摩力数据，通过分析发现叶片一机匣D旋转机械是国民经济和国防建设中重要的基础单点或局部碰摩的接触力类似于周期性脉冲力。根性设备，在能源、动力、航空、航天等领域得到了广泛据这一特定碰摩情况，一些学者提出了基于脉冲力m应用_1]。为了减轻重量，提高压气机效率，追求高推模型的碰摩故障模拟方法]。重比，机匣内环与

3、转子叶片之间的间隙要尽可能小，Legrand等基于机匣与叶盘系统的二维模这就容易导致在离心载荷和气动载荷的作用下，叶型，研究了叶盘系统在机匣k节径模态振型下的接尖与机匣内壁发生碰摩。由于叶尖处有着更大的线触问题，分析了转速对叶片一机匣接触碰摩的影响。速度，碰撞能量大，所以碰摩一旦发生，则会造成严Batailly等口将叶盘系统与机匣分别简化为直梁和重后果。曲梁，并采用模态坐标转化的方法将离散后的多自刘书国等基于Is—DYNA软件对航空发动机由度方程简化为少自由度的方程，基于Lagrange乘叶片一机匣碰摩过程进行了数值模拟，考虑了实际叶子法研究了叶尖与机匣的碰摩问题，并提出了“直接片的叶形特征，

4、分析了叶片顶部在受瞬时碰撞与摩接触法则”。Legrand等_1l_基于一个分段线性的塑擦载荷(碰摩载荷)共同作用下的动力学响应，研究性本构关系，研究了内侧带有可磨耗涂层的机匣与结果表明，采用隐式显式相结合的数值模拟方法可叶尖接触的特性，研究结果表明，可磨耗涂层影响叶以综合考虑结构动力学特征，即低频线性稳态响应片响应的频率成分，叶尖和涂层磨损过程中的初始(惯性效应等)和高频非线性瞬态响应(应力波等)。间隙对叶片的振幅影响很大。Padovan等口假定洪杰等[3]针对某小型短寿命涡扇发动机叶片的断裂机匣为刚性，将叶片简化为悬臂梁，推导出了压缩机故障，进行了叶片端口分析、振动检测信号对比和结叶片的法向

5、碰摩力表达式，并讨论了各系统参数对构动力学特性分析。Williamsl4提出了一个新的叶单叶片和多叶片碰摩动力学特性的影响。Sinha片机匣碰摩建模方法，该模型包括了机匣内衬磨损等建立了一个叶片一转子模型，考虑了旋转惯性的精细模型，并通过实例证明该方法的适用性。这力和陀螺效应，通过叶尖碰摩，研究转子的动力稳定种方法可以预见在叶尖碰摩严重的临界状态时会出性问题。*中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N120603001)；教育部新世纪人才支持计划资助项目(NCET一110078)教育部探索导向重点科技创新资助项目(N110203001)收稿日期：2013—0604；修回日期：2013～07—

6、19第2期太兴宇，等：叶片一机匣系统碰摩振动响应分析281笔者以单个直板叶为研究对象，将叶片简化为悬臂梁，建立了局部坐标系下旋转梁的动力学方程，其中：===其中考虑了叶片的惯性效应以及旋转效应；同时将E]；n—机匣等效为一个单质量弹簧一阻尼器，在碰摩过程中考虑机匣振动的影响。根据叶片与机匣的位移关系和力平衡关系，应用功能原理以及库伦摩擦定律，推，一rn+导出叶片一机匣碰摩表征模型。基于这个表征模型，_lR+l在离心载荷和气动载荷的作用下，对单叶片碰摩的动力学响应进行分析，并且从能量的角度分析了机r0一lf0l0l(4匣对于碰撞能量的吸收作用。一IJ系统动力学方程的建立将式(3)和式(4)代入到

7、式(2)中，整理得到叶片叶片可由一个转盘一梁模型表示，如图1所示。弯曲运动的动能表达式图中，一个等截面的弹性悬臂梁连接在一个半径为R的刚性转盘上，这里不分析转盘的刚体运动，只T一I[。+一2力+2Ou％+考虑弹性叶片的弹性变形。叶片的运动方程可由哈20(Rd+lz)+。+(Rd+z)+密顿原理推导出来2(Rd+)U+。“]pAdx(5)丁一)dt一0(1)其中：P为叶片的密度；A为截面面积。其中：