强度丨详解航空发动机/燃气轮机转子动力学与结构动力学
航空发动机
• 航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，是为航空器提供飞行所需的动力。作为飞机的心脏，航空发动机被誉为“工业之花”，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。航空发动机共有3种类型：活塞式航空发动机、燃气涡轮发动机和冲压发动机。活塞式航空发动机早期应用在飞机或直升机上，用于带动螺旋桨或旋翼。大型活塞式航空发动机的功率可达2500 kW，后来被高速性能好的燃气涡轮发动机取代，但小功率的活塞式航空发动机仍广泛用于轻型飞机、直升机及超轻型飞机。燃气涡轮发动机应用最广，包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。涡轮螺旋桨发动机主要用于时速小于800 km的飞机；涡轮轴发动机主要用作直升机的动力；涡轮风扇发动机主要用于速度更高的飞机；涡轮喷气发动机主要用于超音速飞机。冲压发动机特点是无压气机和燃气涡轮，进入燃烧室的空气利用高速飞行时的冲压作用增压，它构造简单、推力大，特别适用于高速高空飞行。由于不能自行起动和低速下性能欠佳，限制了应用范围，仅用在导弹和空中发射的靶弹上。
燃气轮机
• 燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质，将热能转换为机械能的旋转式动力机械。燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，此外还包括起动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气等附属系统。压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即进入涡轮膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气做功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。
• 燃气轮机的工作过程除了简单循环外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，属于开式循环，此外还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。
• 燃气轮机有重型和轻型两类。重型的零件较为厚重，大修周期长，寿命可达10万小时以上。轻型的结构紧凑而轻，所用材料一般较好，其中以航机的结构为最紧凑。燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右，航空发动机的燃气初温超过1350℃。
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转子动力学是什么？
首先看一下转子动力学分析的一些基本概念。
一、振动形式，按转子-轴承系统的输入，即振动原因可分为：
1. 强迫振动——系统受外界持续激扰作用下所产生的振动，比如转子不平衡产生的周期性的激振力下的转子振动。特点：振动的频率与激振频率相关，一般由不平衡量引起的振动为1X振动，即振动频率与转速频率一致。
有限元软件中某转子强迫振动计算结果
2. 自激振动——由系统自身的交叉耦合刚度引起的振动形式，当有一个初始振动，不需要外界向振动系统输送能量，振动即能保持下去。这种振动与外界激励无关，完全是自己激励自己，故称为自激振动。比如轴瓦自激振动（半速涡动，油膜振荡），大容量汽轮机高压转子上的间隙自激振动。其特征是：振动的频率与转速无关，而与其自然频率相关。
二、按转子—轴承系统的动力学参数的特性可分为：
线性转子动力学分析——通过线性化处理系统，包括轴承的刚度与阻尼等，分析系统的稳态响应，能用常系数线性微分方程描述的振动。 非线性转子动力学分析——系数的阻尼力或弹性恢复力具有非线性性质，只能用非线性微分方程来描述。比如，所有的轴承作用力均为非线性力，严格来讲，与滑动轴承油膜力相关的转子动力学问题均为非线性转子动力学；还有裂纹转子的动力学分析等也属于非线性领域。
三、按振动位移的特征可分为：
横向振动—转子只作垂直轴线方向的振动。
扭转振动—转子绕其纵轴产生扭转变形的振动。
轴向振动—转子只作沿轴线方向的振动。
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从哪方面入手学习转子动力学？
实际上，采用线性化处理的方法，可以处理大部分旋转机械工程领域遇到的转子动力学问题，给出令人满意的解释。这是因为转子上作用着的所有力大部分是线性化或者可以线性化的，例如转子动力学中对转子-轴承系统稳定性问题的研究，一般采用8个线性化的刚度与阻尼特性系数的油膜力模型，就可以得到较为准确的分析结果，可以满足在工程领域中的各种应用。因此，从事旋转机械转子动力学工程领域的技术人员以及初学者而言，可以将关注点放在线性转子动力学上。
旋转机械中如果有非线性激励源的存在，出现线性转子动力学不太好解释的现象，比如转子裂纹等，那就需要进行非线性转子动力学分析。需要说明的是，对线性转子动力学知识体系建立的越深入、掌握的越全面，后续进行非线性转子动力学分析时上手才会更容易，认识才会更清晰，二者并不矛盾。
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转子动力学与结构动力学有啥区别？
结构动力学基本方程式如下：
其中，[M], [C] 和[K] 分别是质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{U}为广义位移向量矩阵，是时间t的函数，其上的点表示对时间的导数；{f }为外载荷向量矩阵；
其中，[M], [C]和[K]分别是质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{U}为广义位移向量矩阵，是时间t的函数，其上的点表示对时间的导数；{f }为外载荷向量矩阵；而[G]为陀螺矩阵，为实反对称矩阵，与转子的转动惯量以及转速等密切相关，是转子动力学分析的主要贡献者；[K]为刚度矩阵对称部分；[B]为刚度矩阵非对称部分（也有称作交叉耦合刚度矩阵），与旋转速度有关，是进行转子稳定性分析的重要参数。一般来讲，质量矩阵[M]，陀螺矩阵[G]，多与转子本身有关；而刚度矩阵[K]、阻尼矩阵[C]、交叉耦合刚度矩阵[B]则多与轴承与密封有关。
