1、航空发动机转子 - 支撑系统在叶片脱落工况下的动力学分析与安全设计

航空发动机转子 - 支撑系统在叶片脱落工况下的动力学分析与安全设计

1. 引言

叶片脱落是航空发动机中虽罕见但可能发生的事件。当部分叶片甚至整个叶片从盘上脱离时，会导致转子不平衡突然增加，对支撑结构施加巨大冲击载荷，严重威胁航空发动机的安全。此外，叶片脱落后，转子需从运行速度迅速减速到风车转速，在临界转速附近会因转子不平衡产生剧烈振动，这对像涡轴发动机动力涡轮转子这样在多阶临界转速以上运行的柔性转子系统危害极大，可能在减速过程中造成严重损坏。

为保障飞行安全，在叶片脱落事件后，保持支撑结构的完整性并确保发动机在风车转速下持续运行至关重要。因此，通过分析建模和数值模拟来预测叶片脱落后的振动响应，对转子 - 支撑系统的结构安全设计具有重要的实际意义。

过去几十年，针对叶片脱落事件的振动响应分析开展了大量研究，主要集中在转子动力学问题，如突然不平衡载荷、减速过程的影响、叶片 - 盘惯性的不对称性以及叶片与机匣的碰摩效应等。然而，以往研究中使用的动力学模型通常较为简单，自由度少，难以考虑支撑结构的振动响应。而且，安全策略大多停留在理论分析和定性设计层面。因此，研究航空发动机转子 - 支撑系统安全设计策略的理论，以及进行动力学分析和参数影响研究，仍是亟待解决的关键问题。

2. 带叶片脱落的转子 - 支撑系统动力学模型

2.1 动力涡轮转子和支撑结构的结构特点

典型涡轴发动机中的动力涡轮转子（PT - 转子）通常由细长的转子轴和悬臂式叶片 - 盘段组成。轴的前后两端分别由两个轴承支撑，PT - 转子设计为柔性，在多个临界转速以上运行。转子的质量和惯性矩集中在后端的动力涡轮上。与高涵道比涡扇发动机中的风扇叶片不同，这里考虑的涡