叶片丢失对齿轮涡扇发动机风扇轴振动影响的研究

针对齿轮涡扇发动机(Geared Turbofan Engine,GTF)的动力学设计要求,考虑叶片丢失后引起的突加不平衡激励、齿轮时变啮合刚度和啮合误差对系统振动特性的影响,采用考虑剪切变形Euler-Bernoulli梁单元建立风扇-齿轮-轴-轴承-机匣耦合关系的系统动力学模型。在单个叶片完全丢失的风车状态下,对比含有齿轮系统的齿轮涡扇发动机风扇轴的振动特性和不含齿轮系统的发动机风扇轴的振动特性区别。研究在不同转速下齿轮系统对齿轮涡扇发动机风扇轴振动的影响。研究结果表明:含有齿轮系统的齿轮涡扇发动机风扇轴的轴心轨迹呈现多频涡动,且轨迹都在一个稳定的极限环内;在风车状态下,啮合频率与模态频率有多个交点,系统的临界转速分布更为密集。研究结果为齿轮涡扇发动机的参数设计和后续改进提供参考。

突加不平衡下GTF发动机转子系统瞬态响应分析

针对GTF发动机低压转子系统突加不平衡瞬态响应问题,基于有限元法建立了考虑啮合单元、行星架单元、膜盘联轴器单元的多体接触、多转子耦合动力学模型,介绍了考虑非线性因素下突加不平衡瞬态响应计算方法,求解了低压转子系统的突加不平衡瞬态响应,并分析了关键部件刚度对突加不平衡的影响规律。结果表明:当风扇转子发生突加不平衡时,各部件均表现为振动幅值突增,后迅速趋于稳定,低压涡轮转子发生明显拍振,突加不平衡载荷主要由行星架结构和第1.5支点刚性支承承担;行星架刚度主要影响风扇转子突加不平衡响应、第1.5支点和行星架处的外传力;膜盘联轴器刚度主要影响增压级突加不平衡响应、转子在突加不平衡之后稳定运转情况。

基于Matlab/Simulink的齿轮传动涡扇发动机建模仿真

基于Matlab/Simulink高级图形化仿真环境,利用图形模块化建模技术和部件级模型建模方法,建立某型齿轮传动涡扇发动机的稳态模型。该稳态模型由牛顿-拉夫逊法数值求解。其中,选取最大连续爬升、最大巡航等典型稳态工况点,对比稳态模型的仿真值与虚拟试验平台的试验值,结果表明,设计点相对误差小于2%,非设计点相对误差小于4%.稳态模型精度较高,为齿轮传动涡扇发动机性能分析和动态模型的研究奠定了基础。

齿轮驱动涡扇发动机的发展和关键技术

描述了齿轮驱动涡扇发动机的由来和研制发展,综述了该发动机的关键技术(如齿轮箱、高速低压转子和紧凑核心机等)和研究进展。

并联混合动力齿轮传动涡扇发动机建模与性能分析

为对比探究未来大推力航空混合动力系统与传统航空发动机的优劣,依托某概念型齿轮传动涡扇(Geared turbofan,GTF)发动机,设计了一个并联航空油-电混合动力系统(Hybrid GTF,hGTF),在Matlab/Simulink数字仿真软件中建立相匹配的电动力模型以及氮氧化物NO排放和噪声预测等性能参数计算模型,并在稳态和飞行任务剖面下初步分析了电动力系统的引入对原基线GTF发动机的性能改变状况。稳态仿真结果表明,大推力等级的并联油-电混合动力系统中,至少需要兆瓦级的电动力系统进行匹配;当电动力系统处于电动模式时,可能会带来低压压气机喘振的隐患;当电动力系统处于再生模式时,电能源相当于经过了电能到机械能再到电能的二次效率损失,不建议采用。飞行任务剖面动态仿真结果表明,相比于传统GTF发动机,hGTF推进系统的燃油消耗率最高下降15%,总燃油消耗节省8.3%,NO总排放量减少18.8%,各部件起飞噪声总声压级减少1.5~3.3dB。分析结果表明,采用并联混合动力系统具有显著提升省油、减排效果的能力,同时也具有一定的降噪潜力。

进油孔方案对齿轮传动涡扇发动机滑动轴承润滑特性的影响

齿轮传动涡扇(Geared Turbofan,简称GTF)发动机星型齿轮传动系统的滑动轴承是整个驱动系统的关键部件,为提高其润滑性能,利用ANSYS Fluent软件,建立3种进油孔方案的GTF滑动轴承润滑性能计算模型,3种方案包括两孔(两个进油孔)、同直径三孔(三个进油孔,孔径与两孔方案的孔径相同)和同面积三孔(三个进油孔,三孔总面积与两孔方案的两孔总面积相同),研究不同进油孔方案对GTF滑动轴承油膜承载力、摩擦功耗、流量、油膜压力分布和油膜温度分布等性能的影响规律。结果表明:轴承油膜压力中存在明显的负压现象; 3种进油孔方案相比,同面积三孔方案的最大油膜压力最大,同直径三孔方案的流量最大,两孔方案的承载力最大、流量最小;最大油膜温度出现在轴承右下角靠近进油槽处,同面积三孔方案的油膜最高温度和最大温升均最小。综合考虑油膜承载能力和润滑油流量,两孔方案的轴承是滑动轴承的较佳选择。

基于线性自抗扰的齿轮传动涡扇发动机控制

为了研究干扰对航空发动机系统的影响及提高控制系统抗干扰能力,采用基于模型的设计方法(MBD),建立一种大涵道比齿轮传动涡扇发动机(GTF)部件级模型,并且针对发动机干扰来源,根据发生机理建立大气湍流干扰和功率提取干扰模型。基于线性自抗扰控制(LADRC)方法设计了发动机转子转速控制器。在全数字仿真平台和硬件在环仿真平台上对发动机模型、干扰模型以及控制算法进行了集成与验证。结果表明:发动机在面对这些类干扰时,LADRC控制器在转速等重要性能指标上的抗扰能力比PID控制器提高20%以上。LADRC控制具有更好的鲁棒性和抗干扰能力,保证了发动机的平稳运行,为LADRC在实际航空工程中的应用打下了良好的基础。

考虑安装误差的GTF星型齿轮传动系统均载特性影响规律

作为下一代民用航空发动机主要发展方向之一的齿轮传动涡扇发动机(GTF),其引入了星型齿轮传动系统,为探究安装误差对星型齿轮传动系统均载特性的影响规律,基于商用软件建立GTF星型齿轮传动系统刚柔耦合动力学模型,以均载系数为考查指标进行仿真分析。分别考虑太阳轮、齿圈安装误差对系统的影响,并引入柔性支撑刚度改善载荷分配不均的问题,系统地分析其影响规律。结果表明:在健康工况条件下,各啮合副接触力分布均匀,系统的均载特性良好;随着安装误差的增大,均载系数呈增大趋势,内、外啮合副均载系数较健康工况下的最多增大了21.1%和21.4%,系统的均载特性变差;通过添加柔性支撑并调整支撑刚度,内、外啮合副的均载系数减小到1.00952和1.00187,系统均载特性趋于合理,基本改善了载荷分配不均的问题。

下一代窄体客机发动机最新进展

围绕下一代窄体客机发动机,介绍了目前国外飞机和发动机生产商方案选择的一些思路,叙述了传统涡扇发动机、齿轮传动涡扇发动机和开式转子发动机的最新进展,预测了发展趋势。

现代民用航空发动机技术

数据显示,在航空运输总成本中,航空燃料所占比例超过36%,这一事实迫使民用航空公司一直为如何降低发动机燃料消耗而努力.另外,在环境污染的背景下,只有发展绿色航空,才能实现航空运输业的健康发展.据此,笔者结合工作经验,主要介绍几种高效民用航空发动机技术.

基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态建模

从热力学、气体动力学和发动机基本原理出发,对基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态性能建模技术展开了研究,并推导出了基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态数学模型的求解方程组.基于该模型方程组,利用C++面向对象编程语言,建立起了某齿轮传动涡扇发动机的动态模型.该发动机动态模型与著名的商业化发动机性能计算软件Gasturb 10进行的比对显示:该模型的运算结果与Gasturb 10的运算结果具有良好的一致性,最大误差不大于1.5%.证明了基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态数学模型求解方程组的正确性和适用性.

齿轮传动涡扇发动机低压转子结构与动力学分析

选取齿轮传动涡扇发动机低压转子为研究对象，以结构效率评估参数量化其动力学特性．通过建立低压转子简化模型，对低压转子关键结构参数（即支承方案、支点支承刚度）对其动力学特性的影响规律进行了研究，阐明了低压转子结构参数与其动力学特性的关系，并对其支承方案及支承刚度进行了优选设计．当低压转子支承方案为1-0-1，两支点支承刚度分别为5．84×10^7N／m和5．90×10^7N／m时，转子动力学性能较优，此时转子角向抗变形能力较好，前两阶临界转速分布满足共振裕度设计要求，且分布于小的转速区间内．

风扇齿轮驱动系统的概念设计

齿轮驱动风扇(GTF)发动机以低排放、低噪声、低油耗、低维护费用等优点被市场认可,成为下一代民用发动机的主要发展方向之一。本文对风扇齿轮驱动系统的概念设计过程作简单介绍。

星型风扇驱动齿轮箱概念设计探讨

风扇驱动齿轮箱在齿轮传动涡扇发动机中发挥重要作用,为了支撑我国宽体客机发动机总体方案论证,进一步开展齿轮传动涡扇发动机的研制工作,以五路分流人字齿星型风扇驱动齿轮箱为研究对象开展概念设计。所设计的齿轮箱的主要结构特征为:太阳轮为浮动构件,通过花键传扭;行星轮采用齿轮/轴承一体化设计并选用调心滚子轴承;齿圈采用柔性支承,通过摩擦传扭。基于概念设计,本文总结并分析了后续研制过程中可能遇到的技术难点,包括传动效率、均载机构、支承与连接结构、齿面修形及系统动力学五个方面,为进一步开展风扇驱动齿轮箱的研制工作指出方向。

GTF发动机设计及动力学问题研究综述

齿轮传动涡扇(Geared turbofan,GTF)发动机作为绿色航空动力的代表机型,在降低耗油率、噪声、减少污染物排放等诸多方面具有突出优势。以完善我国关于GTF发动机知识参考、引起国内学者关注该技术研究为目的,详细介绍了GTF发动机的发展背景和研究现状,以求抛砖引玉之效。重点针对其关键部件-行星齿轮传动系统的动力学问题,包括系统建模、动特性及非线性响应、功率均载、试验及故障模拟方面,做了详细评述,同时基于GTF发动机结构提出其可能面临的故障问题,最后总结了技术难点概况,并指出需要进一步研究的问题。

高速高比压织构滑动轴承热弹流润滑分析

齿轮传动涡扇发动机(geared turbo fan engine,GTF)的星型齿轮传动系统使用滑动轴承作为支承。GTF滑动轴承在高速高比压工况下工作,油膜压力较大,导致轴承会发生弹性变形。考虑滑动轴承的弹性变形以及润滑油温黏效应等的影响,基于计算流体动力学方法建立了高速高比压织构滑动轴承的三维热弹流润滑分析模型,研究了考虑弹性变形影响的织构滑动轴承热流体润滑性能,并对比了织构滑动轴承和无织构滑动轴承的热弹流润滑性能。结果表明:考虑弹性变形的影响后,在相同大偏心率工况下织构滑动轴承的最大油膜压力、承载力和最大油膜温度均会明显降低,周向承载区域明显扩大,且温度和油膜压力在圆周方向上的变化也更加平缓;对比织构滑动轴承和无织构滑动轴承,两者的最大油膜压力、承载力、最大油膜温升和摩擦系数无明显差异,但油膜承载区的弹性变形有明显减小。

混合润滑条件下的星形人字齿轮系统温度场

针对星形人字齿轮系统,采用热弹流润滑理论和粗糙峰接触计算方法获得不同表面粗糙度下齿面各啮合位置的油膜承载比例及摩擦因数,结合齿面接触载荷和滑移速度计算,分析齿面热流密度分布状态;借助齿轮系统喷油润滑流场仿真得出系统油液分布及齿轮表面传热系数;基于流体动力学仿真和混合弹流润滑分析结果,建立齿轮系统稳态温度场有限元模型,仿真研究各齿轮表面的温度分布规律。结果表明:啮合区中心油膜越厚油膜承载比例越高;综合摩擦因数受几何参数和载荷影响,内、外啮合齿轮副从节点处向齿顶齿根位置摩擦因数呈先增大后减小趋势;太阳轮啮合频次高且散热较慢,温升高于其他齿轮,高温区位于齿顶和齿根,随粗糙度增大太阳轮温度明显升高。