温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26993

固体力学与飞行器总体设计

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温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响

左彦飞¹, 吴易柳¹, 王杰², 冯坤³, 江志农¹()

^1.北京化工大学发动机健康监控及网络化教育部重点实验室，北京 100029
^2.航空动力技术研究院，西安 710025
^3.中国航发动力所?北京化工大学航空发动机振动健康监控联合实验室，北京 100029

收稿日期:2022-01-25 修回日期:2022-02-09 接受日期:2022-03-09 出版日期:2023-04-15 发布日期:2022-03-22
通讯作者: 江志农 E-mail:jiangzn@mail.buct.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51905025)

Influence of temperature-induced material property changes on dynamic characteristics of engine dual-rotor system

Yanfei ZUO¹, Yiliu WU¹, Jie WANG², Kun FENG³, Zhinong JIANG¹()

^1.Key Laboratory of Engine Health Monitoring-Control and Networking of Ministry of Education，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.Academy of Aerospace Solid Propulsion Technology，Xi’an 710025，China
^3.China Aero Engine Vibration Health Monitoring-Control Joint Lab，AVIC Shenyang Engine Design Institute-Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2022-01-25 Revised:2022-02-09 Accepted:2022-03-09 Online:2023-04-15 Published:2022-03-22
Contact: Zhinong JIANG E-mail:jiangzn@mail.buct.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51905025)

摘要/Abstract

摘要：

为探究不同工况下温度场变化进而导致材料属性变化对双转子系统动力特性的影响，提出将不同工况温度、转速变化与发动机双转子系统动力特性联合分析方法。通过发动机性能方程、相似性原理及稳态热分析方法拟合得到稳定工况双转子温度场，将温度场与转子结构有限元模型联合，推导了双转子系统有限元刚度矩阵受温度场影响的动力学方程。建立了典型发动机双转子支承系统热-固联合分析有限元模型，分析了双转子系统在不同工况温度场下固有频率、模态振型、稳态不平衡响应及应变能分布的变化情况。结果表明：随着工况升高，典型发动机双转子系统固有频率发生不同程度的下降，临界转速随之下降，最大下降幅度接近10%；在涡轮位置不平衡量作用下，受临界转速变化等影响，涡轮支承位置最大工作转速附近平均不平衡响应幅值较常温下增大近3倍，温致材料属性变化对双转子动力特性造成较大的影响。

关键词: 双转子, 稳态热分析, 材料属性变化, 转子动力特性, 应变能

Abstract:

To explore the influence of material property changes caused by temperature variation on the dynamic characteristics of dual-rotor systems under different working conditions， a joint analysis method was proposed to analyze the temperature and speed changes under different working conditions and the dynamic characteristics of dual-rotor systems. Through the engine performance equation， similarity principle and steady-state thermal analysis method， the temperature field of dual rotors under stable conditions was fitted， and the temperature field was combined with the finite element model of the rotor. The dynamic equation of the finite element stiffness matrix of dual-rotor system affected by the temperature field was derived. A thermal-solid joint analysis finite element model of a typical engine dual-rotor support system was established， and the changes of the natural frequency， modal mode shape， steady-state unbalance response and strain energy distribution of the dual-rotor system under different temperature fields were analyzed. The results show that with the increase of the operating conditions， the natural frequencies of the typical dual-rotor system decreased； the critical speeds of the system decreased accordingly， with a maximum decrease of nearly 10%. Excited by the unbalance of turbine， the average response amplitude near the maximum operating speed of the turbine related support was nearly three times larger than that at room temperature， showing that the temperature-induced material property changes have a great impact on the dynamic characteristics of dual rotors.

Key words: dual-rotor, steady-state thermal analysis, changes of material properties, rotor dynamic characteristic, strain energy

中图分类号:

V231.96

左彦飞, 吴易柳, 王杰, 冯坤, 江志农. 温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 226993-226993.

Yanfei ZUO, Yiliu WU, Jie WANG, Kun FENG, Zhinong JIANG. Influence of temperature-induced material property changes on dynamic characteristics of engine dual-rotor system[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(7): 226993-226993.

图/表 20

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

表 1

图 7

图 8

表 2

常温及热-固联合分析有限元模型固有频率及对应模态振型置信因子结果比较

模态阶次
	固有频率（80%工况）			$C m a$ （80%工况）	固有频率（90%工况）			$C m a$ （90%工况）	固有频率（100%工况）			$C m a$ （100%工况）
	常温/Hz	热-固联合/Hz	变化率/%	$C m a$ （80%工况）	常温/Hz	热-固联合/Hz	变化率/%	$C m a$ （90%工况）	常温/Hz	热-固联合/Hz	变化率/%	$C m a$ （100%工况）
1stB	33.12	32.6	-1.6	0.85	32.16	31.97	-0.6	1.00	31.4	30.8	-1.9	0.86
1stF	38.1	37.92	-0.5	1.00	38.17	37.82	-0.9	1.00	38.22	37.74	-1.3	1.00
2ndB	42.48	42.3	-0.4	1.00	41.85	41.43	-1.0	1.00	41.36	40.68	-1.6	1.00
2ndF	69.29	68.98	-0.4	1.00	71.24	70.49	-1.0	1.00	73.14	71.91	-1.7	1.00
3rdB	62.4	62.37	0	1.00	59.44	59.39	-0.1	1.00	56.68	56.61	-0.1	1.00
3rdF	111.85	111.82	0	1.00	113.75	113.68	-0.1	1.00	115.46	115.36	-0.1	1.00
4thB	37.01	33.57	-9.3	0.23	33.77	27.3	-19.2	0.99	30.78	22.63	-26.5	0.10
4thF	225.3	219.81	-2.4	0.73	228.5	224.47	-1.8	0.99	230.57	223.78	-2.9	0.98
5thB	134.1	126.5	-5.7	1.00	127.08	111.68	-12.1	0.993	120.57	98.97	-17.9	0.99
5thF	227.11	224.36	-1.2	0.65	233.95	221.63	-5.3	0.99	239.63	220.33	-8.1	0.98
6thB	174.53	174.3	-0.1	1.00	172.13	171.68	-0.3	1.00	170.01	169.44	-0.3	1.00
6thF	290.39	290.23	-0.1	1.00	303.95	303.67	-0.1	1.00	317.98	317.66	-0.1	1.00

表 2

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

表 3

典型温度场下双转子4thF共振峰值变化

支承位置	共振峰值/μm				最大 $Φ q p$
支承位置	常温	80% 工况	90% 工况	100% 工况	最大 $Φ q p$
4⋕	753.2	744.7	709.3	765.5	-0.06
5⋕-L	883.9	857.6	812.1	852.9	-0.08
5⋕-H	911.7	867.5	789.3	812.2	-0.13
6⋕	1 035.1	979.7	851.0	1 156.1	-0.18

表 3

表 4

典型温度场下双转子5thF共振峰值变化

支承位置	共振峰值/μm				最大 $Φ q p$
支承位置	常温	80% 工况	90 % 工况	100% 工况	最大 $Φ q p$
1⋕	1.3	3.1	11.9	3.7	8.2
2⋕	1.9	4.9	19.9	6.6	9.3
3⋕	26.8	68.8	281	93.8	9.5

表 4

表 5

典型温度场下双转子系统平均振动幅值

支承位置	平均振动幅值/μm				最大 $Φ q a$
支承位置	常温	80% 工况	90% 工况	100% 工况	最大 $Φ q a$
1⋕	0.49	0.81	2.75	1.73	4.6
2⋕	0.85	1.4	4.67	3.02	4.5
3⋕	11.4	19	65.3	43.2	4.7
4⋕	93.4	132	239	348	2.7
5⋕-L	124	166	285	392	2.2
5⋕-H	106	146	260	367	2.5
6⋕	144	193	312	519	2.6

表 5

图 14

图 15

参考文献 25

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温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响

Influence of temperature-induced material property changes on dynamic characteristics of engine dual-rotor system

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