航空用空气涡轮起动机涡轮动力学特性分析

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航空发动机的发展，离不开航空发动机起动技术的提升。现代航空发动机技术日臻成熟，功率逐步提升，而对航空发动机起动技术的要求也更高。随着时间的推移，航空发动机的起动方式也发生了巨大的变革。在这个领域，燃气涡轮起动机替代了传统的空气涡轮起动机，成为了航空发动机启动的核心。国外，美国的霍尼韦尔公司、法国和俄罗斯等在这方面早已领先一步，技术积累非常丰富。而相对于这些老牌航空强国，中国的起步相对较晚。早在1971年，南京的一个机械厂就开始了空气涡轮起动机的研究，当时的成果被用于民航，为该领域的研究提供了初步的基础。

空气涡轮起动机的核心组件是涡轮转子。涡轮转子在整个启动过程中扮演着至关重要的角色。在涡轮转子工作时，接收辅助动力装置（APU）的通气，高压气流通过导向器流向涡轮叶片，驱动涡轮转子高速旋转。涡轮的高速低转矩动力通过减速系统被转化为输出轴的低速高转矩动力，从而驱动航空发动机的运转。涡轮转子的设计与优化成为了航空发动机起动技术研究的重点之一。

涡轮转子的动力学特性对整个起动机的性能和稳定性影响深远。在过去的研究中，研究者们通常只考虑涡轮转子本身及其轴承支承系统，而忽略了与其相连接的齿轮系统。因此，考虑齿轮系统和涡轮转子的相互影响，分析研究整机装配下的涡轮动力学特性，显得尤为重要。本文在此背景下，对涡轮转子进行了深入研究。

首先，我们考虑了齿轮系统和涡轮转子的耦合关系。为了方便计算，我们采用了威伯－班纳斯切克模型，将齿轮系统部件进行等效简化。齿轮间的啮合刚度被等效简化为弹簧连接。然后，基于有限元商用软件，我们建立了起动机系统的简化有限元模型。在模型中，涡轮和主动齿轮被视为刚性连接，减速系统中的双联齿轮部件被等效简化为两个质点间的弹簧连接。通过这一模型，我们进行了涡轮的临界转速计算以及不平衡响应分析。

在临界转速计算中，我们采用了坎贝尔图法。通过分析转子系统的坎贝尔图，我们得知涡轮转子在持续加速到达最高转速120000r/min的过程中有两阶临界转速，分别为21067r/min和56371r/min。这两个临界转速对于涡轮转子的设计和工程应用具有重要意义。

在不平衡响应分析中，我们假设涡轮转子在涡轮盘处存在0.2g·mm的不平衡量。通过进行稳态动力响应计算，我们得到了涡轮转子叶尖、主动齿轮齿上、进气壳体和涡轮壳体上的稳态响应曲线。在分析频域范围0 2000Hz内，我们观察到了涡轮转子的稳态响应情况。在涡轮一阶临界转速附近，主要为涡轮转子的偏摆振动；而在涡轮二阶临界转速附近，为涡轮的一阶弯曲振动。这些振动特性对于涡轮的安全运行和性能优化具有重要指导意义。

总的来说，本文通过建立空气涡轮起动机整机有限元模型，对涡轮转子进行了深入研究。我们考虑了齿轮系统和涡轮转子的相互影响，分析了整机装配下的涡轮动力学特性。在临界转速计算和不平衡响应分析中，我们得出了涡轮转子的关键性能参数。这些研究成果为涡轮的优化设计和振动控制提供了重要的技术依据。

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