CN110259883B - 整体叶盘的阻尼结构减振设计方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其包括：根据整体叶盘模型，选取阻尼器的安装位置范围；确定激振力范围和选取振动幅值监测点；确定接触面和正压力范围；在激振力、正压力和不同阻尼器安装位置下，计算监测点的振动幅值；确定最优无量纲正压力，无量纲正压力为正压力与激振力的比值；以及根据最优无量纲正压力，确定阻尼器的最佳安装位置和最优质量。

Description

整体叶盘的阻尼结构减振设计方法

技术领域

本公开属于航空发动机整体叶盘减振结构设计技术领域，尤其涉及一种整体叶盘的阻尼结构减振设计方法。

背景技术

整体叶盘结构是高性能航空发动机转子中的一项新型结构，已经开始在发动机风扇、压气机、涡轮上广泛采用。整体叶盘技术具有较好的工程应用价值：可减轻转子重量，提高发动机推重比；可提高发动机的耐久性和可靠性，减少故障发生率，延长了转子的寿命；可提高气动性能和工作效率。

整体叶盘虽然有上述优点，但同时存在严重的振动及疲劳破坏问题：(1)与榫连叶盘的轮盘相比，轮盘与叶片刚度相差较少，容易发生盘片耦合振动；(2)不存在连接结构与接触摩擦，内部阻尼非常小，在极端运行环境下会产生高应力水平的振动和共振，容易引发高周疲劳现象甚至失效。

目前，整体叶盘的减振技术大致可以分为五类：摩擦阻尼器减振、涂层阻尼减振、压电阻尼减振、粒子阻尼减振及其它减振方法。

摩擦阻尼减振是目前主流的叶盘减振方法，研究成果和应用成果都较多。按照安装位置，加装在叶片上的摩擦阻尼器有叶片缘板阻尼器和叶冠阻尼器；安装在轮盘上的有摩擦阻尼环、阻尼销和指式阻尼器。从技术成熟度角度而言，摩擦阻尼器的方式是解决工程应用主要或首选减振方式。

稳定且能满足特殊需求的涂层阻尼是目前研究的热点，可以分为硬涂层和粘弹性涂层，它们适用于不同的环境，但是涂层阻尼只对某些振型敏感例如前三阶，消耗快，并且其抵抗发动机流道内恶劣环境的能力有待提高，通常会结合使用，并且涂层厚度不宜太厚，否则影响气动效率。

压电阻尼减振也是一种常见的减振技术，可分为被动、主动和半主动压电电路阻尼减振。因为精简的结构，其对外部电源和控制的要求较低。被动压电相比主动和半主动压电电路更实用，研究成果也最多。但在工程应用中还需要解决器件安装以及宽频域振动抑制等的问题。

粒子阻尼减振作为摩擦阻尼器的一个验身，也是值得考虑和研究的减振解决方案。不过，粒子阻尼器产生噪声较大，将其应用于高速旋转的叶盘结构中，仍需探讨粒子的选材、放置位置以及粒子在大的离心载荷下能量耗散能力。

其他减振方法还包括涡流阻尼器、冲击阻尼器等。

此外，从造价来看，压电材料造价最高，其次是涂层技术，再其次是摩擦阻尼结构。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其包括：根据整体叶盘模型，选取阻尼器的安装位置范围；确定激振力范围和选取振动幅值监测点；确定接触面和正压力范围；在激振力、正压力和不同阻尼器安装位置下，计算监测点的振动幅值；确定最优无量纲正压力，无量纲正压力为正压力与激振力的比值；以及根据最优无量纲正压力，确定阻尼器的最佳安装位置和最优质量。

根据本公开的至少一个实施方式，该方法还包括确定所述阻尼器的接触摩擦系数。

根据本公开的至少一个实施方式，最优无量纲正压力为相对幅值最低时所对应的无量纲正压力，相对幅值为所述监测点在安装所述阻尼器后的振动幅值与未安装所述阻尼器的振动幅值的比值。

根据本公开的至少一个实施方式，该方法还包括确定计算振动幅值所需的计算模型，计算模型为整体局部滑动模型。

根据本公开的至少一个实施方式，该方法还包括确定计算振动幅值所需的仿真方法，仿真方法为有限元法。

根据本公开的至少一个实施方式，激振力的范围为5N～10N。

根据本公开的至少一个实施方式，正压力的范围为11.2N～600N。

根据本公开的至少一个实施方式，监测点选取在叶尖附近。

根据本公开的至少一个实施方式，确定阻尼器的最佳安装位置和最优质量的步骤包括：确定实际激振力的大小；根据最优无量纲正压力，确定实际正压力的大小；以及根据实际正压力，确定阻尼器的最优质量，阻尼器的最佳安装位置为最优无量纲正压力所对应的安装位置。

根据本公开的至少一个实施方式，阻尼器为阻尼环，阻尼环的横截面为矩形。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开至少一个实施方式的整体叶盘的阻尼结构减振设计方法流程图。

图2是根据本公开至少一个实施方式的压气机某级整体叶盘一个扇区示意图。

图3是根据本公开至少一个实施方式的整体叶盘阻尼环安装位置范围示意图。

图4是根据本公开至少一个实施方式的振动幅值监测点和等效集中力即激振力位置。

图5是根据本公开至少一个实施方式的外激励为5N时的幅频特性曲线。

图6是根据本公开至少一个实施方式的外激励为10N时的幅频特性曲线。

图7是根据本公开至少一个实施方式的外激励为5N时相对幅值随无量纲正压力的变化。

图8是根据本公开至少一个实施方式的外激励为10N时相对幅值随无量纲正压力的变化。

图9是根据本公开至少一个实施方式的矩形截面阻尼环结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本公开提出了一种整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，可根据所给出的阻尼器材料，基于二维整体局部滑动模型，通过有限元仿真分析，最终确定最优阻尼环质量，为后续阻尼环的结构设计提供依据和参考。

在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，如图1所示，其包括：根据整体叶盘模型，选取阻尼器的安装位置范围；确定激振力范围和选取振动幅值监测点；确定接触面和正压力范围；在激振力、正压力和不同阻尼器安装位置下，计算监测点的振动幅值；确定最优无量纲正压力，无量纲正压力为正压力与激振力的比值；以及根据最优无量纲正压力，确定阻尼器的最佳安装位置和最优质量。

其中，监测点选取在叶尖附近，最优无量纲正压力为相对幅值最低时所对应的无量纲正压力，相对幅值为所述监测点在安装所述阻尼器后的振动幅值与未安装所述阻尼器的振动幅值的比值。

该方法还包括确定所述阻尼器的接触摩擦系数，确定计算振动幅值所需的计算模型为整体局部滑动模型、仿真方法为有限元法、激振力的范围为5N～10N以及正压力的范围为11.2N～600N。

确定阻尼器的最优质量和最佳安装位置的步骤包括：确定实际激振力的大小；根据最优无量纲正压力，确定实际正压力的大小；以及根据实际正压力，确定阻尼器的最优质量，其最佳安装位置为最优无量纲正压力所对应的安装位置。

本公开提供的航空发动机整体叶盘阻尼环减振结构设计方法可以根据所给出的整体叶盘模型和所选取的阻尼器材料，确定阻尼器最佳安装位置和最优质量，为后续整体叶盘减振结构设计提供依据和参考。

下面以横截面为矩形的阻尼环为例，具体说明本公开的整体叶盘的阻尼结构减振设计方法的详细步骤。然而，所选的实施例仅用于说明本公开，而不限制本公开的范围。

本公开提供的航空发动机整体叶盘阻尼环减振结构设计方法主要包括以下步骤：

设阻尼环截面为矩形截面，假定阻尼环在扇区上局部坐标系下周向方向长度、轴向方向长度和厚度分别为L0、L1和M。

(1)根据已有的发动机整体叶盘的实际模型或仿真模型，找到适合安装阻尼器的范围。由于整体叶盘为轴对称结构，因此可根据其中一个扇区开展研究，图2为发动机压气机某级整体叶盘其中一个扇区。根据叶盘结构，选取图3标示部位为安装阻尼环位置范围。

(2)给定叶盘激振力范围，选取合适的振动幅值监测点。根据经验，本次有限元仿真选取激振力幅值F分别为5N和10N，激振力监测点在叶尖附近，如图4中箭头所示。

(3)在安装位置确定接触面，选取合适的正压力范围。本例中，选取的正压力分别为11.2N、22.4N、50N、100N、250N和600N；

(4)基于整体局部滑动模型计算相应的激振力和正压力下的监测点振动幅值。表1、表2分别为激振力为5N和10N时，不同正压力下共振幅值及共振频率变化。图5和图6分别为外激励为5N和10N时，相对幅值随正压力的变化，即幅频特性曲线。

表1外激励为5N时不同正压力下共振幅值及共振频率变化表

表2外激励为10N时不同正压力下共振幅值及共振频率变化表

(5)确定最优无量纲正压力，即正压力与激振力的比值的范围。图7和图8为外激励为5N和10N时，相对幅值随无量纲正压力的变化。可见，当作用在阻尼片的正压力N与作用在叶片上的激振力F之比相等时，即无量纲正压力N相同时，叶片的相对共振幅值、等效刚度和等效粘性阻尼均相等。用不同无量纲正压力值的计算结果进行分析可以排除冗余数据，筛除重复性规律，更直观、全面地反映正压力变化及激振力变化对阻尼环减振效果的综合影响。

根据幅频特性结果和相对共振幅值随无量纲正压力变化结果可以看出，高压压气机叶盘的循环对称计算的响应结果出现了频率前移现象，这是因为叶盘耦合振动明显，导致叶盘循环对称分析出现了频移结果。同样，对于共振幅值随无量纲正压力的变化可以理解为：开始时阻尼器与缘板的摩擦力不断增加，摩擦耗能作用随之增大，共振幅值随之减小；当接触压力增加到一定程度后，产生“固结”滑动位移变小，摩擦耗能减少，幅值回升。因此，对于减振效果存在一个最优无量纲的正压力。就本算例，最优无量纲正压力在10-25之间。

改变阻尼环安装位置，重复步骤(1)～(5)，根据最终减振效果选取最佳位置，获得最佳位置对应的最优无量纲正压力。

(6)确定等效气体激振力范围。根据有限元仿真获得实际发动机激振力。假设等效集中力即激振力为10N。

(7)确定实际最优正压力。在本次仿真中，根据几何模型，压气机叶盘的阻尼环为截面为矩形的环，其周向接触长度为轮盘外缘周长，即L0等于轮盘外缘周长，轴向接触长度r为0.004m。根据以上结构尺寸，在接触摩擦系数为0.3条件下，计算所得的最优无量纲正压力为15。根据步骤(6)，激振力为10N，即可计算得到最优正压力为150N。

(8)根据所确定的实际最优正压力，给出阻尼器的最优质量和结构尺寸参数。阻尼环截面选为矩形截面。根据给定的其中一个工况(ω＝10000(r/min)＝1046.7rad/s)，由离心力公式N＝ω²rm，得到最优的阻尼块质量为33g。图9为矩形截面阻尼环减振结构示意图。

摩擦阻尼接触面正压力与阻尼环的质量和摩擦系数有关，选取阻尼环材料，确定材料的摩擦系数和密度，根据最优正压力计算得到阻尼环的最佳质量，进而得到其最佳体积，为后续阻尼环的结构设计提供依据。

概括来说，本公开涉及一种航空发动机整体叶盘阻尼环减振结构设计方法，包括1)根据已有的整体叶盘模型，确定阻尼结构大致范围以及确定适合安装阻尼器的大致范围；2)在安装位置确定接触面，基于三维整体-局部滑动模型，通过减振计算程序计算不同激振力和接触面正压力(主要与阻尼环质量和摩擦系数有关)下的监测点振幅，并确定最优无量纲正压力，即激振力与正压力的比值；3)确定等效气体激振力范围；4)确定实际最优正压力；5)根据所确定的实际最优正压力，给出阻尼器的结构尺寸参数，包括其最佳安装位置和最优质量，阻尼环截面选为矩形截面。本公开建立了发动机整体叶盘结构设计流程，为后续整体叶盘阻尼器结构设计提供依据和参考。

本公开所提出的一种航空发动机整体叶盘阻尼环减振结构设计方法，可根据所提供的整体叶盘实际结构和带摩擦阻尼环的减振响应仿真计算结果对摩擦阻尼环尺寸进行设计，为后续整体叶盘减振结构设计提供依据和参考。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其特征在于，所述方法包括：

根据整体叶盘模型，选取阻尼器的安装位置范围；

确定激振力范围和选取振动幅值监测点；

确定接触面和正压力范围；

在所述激振力、所述正压力和不同阻尼器安装位置下，计算所述监测点的振动幅值；

确定最优无量纲正压力，所述无量纲正压力为所述正压力与所述激振力的比值；以及

根据所述最优无量纲正压力，确定所述阻尼器的最佳安装位置和最优质量；

所述最优无量纲正压力为相对幅值最低时所对应的所述无量纲正压力，所述相对幅值为所述监测点在安装所述阻尼器后的振动幅值与未安装所述阻尼器的振动幅值的比值；

所述确定所述阻尼器的最佳安装位置和最优质量的步骤包括：

确定实际激振力的大小；

根据所述最优无量纲正压力，确定实际正压力的大小；以及

根据所述实际正压力，确定所述阻尼器的最优质量，所述阻尼器的最佳安装位置为所述最优无量纲正压力所对应的安装位置。

2.根据权利要求1所述的整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其特征在于，所述方法还包括确定所述阻尼器的接触摩擦系数。

3.根据权利要求1所述的整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其特征在于，所述方法还包括确定计算所述振动幅值所需的计算模型，所述计算模型为整体局部滑动模型。

4.根据权利要求1所述的整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其特征在于，所述方法还包括确定计算所述振动幅值所需的仿真方法，所述仿真方法为有限元法。

5.根据权利要求1所述的整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其特征在于，所述激振力的范围为5N～10N。

6.根据权利要求1所述的整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其特征在于，所述正压力的范围为11.2N～600N。

7.根据权利要求1所述的整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其特征在于，所述监测点选取在叶尖附近。

8.根据权利要求1所述的整体叶盘的阻尼结构减振设计方法，其特征在于，所述阻尼器为阻尼环，所述阻尼环的横截面为矩形。

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