航空发动机弹性环及其在SFD上的应用研究进展

聂卫健; 李维; 刘飞春; 李坚; 唐广

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504794

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (22) :9441-9451 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504794

航空、航天

航空发动机弹性环及其在SFD上的应用研究进展

聂卫健 ¹^,² ,
李维 ¹^,² ,
刘飞春 ¹^,² ,
李坚 ¹^,² ,
唐广 ¹^,²

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Research Progress of Aero Engine Elastic Ring and Its Application on SFD

NIE Wei-jian ¹^,² ,
LI Wei ¹^,² ,
LIU Fei-chun ¹^,² ,
LI Jian ¹^,² ,
TANG Guang ¹^,²

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摘要

弹性环因结构简单、质量轻及空间占用小等优势而得到广泛关注,在航空发动机转子系统结构设计中已工程化应用。从弹性环的结构形式与作用、刚度分析方法、强度寿命评估以及弹性环在挤压油膜阻尼器(squeeze film damper, SFD)上的应用研究等方面进行了总结,介绍了传统形式、波纹式、自适应式和齿式弹性环的结构特点,阐述了解析法、有限元法和试验测量法弹性环刚度分析方法,归纳了弹性环在SFD上的应用现状。指出了未来关于弹性环的研究应重点关注多学科多目标结构优化、非线性动力学控制以及极端恶劣工况下的特性等方面,为航空发动机弹性环的结构优化设计和减振应用提供了参考。

Abstract

The elastic ring has been widely concerned for its advantages of simple structure, light weight and small space occupation, and has been applied in the structural design of aero engine rotor system. The structure form and action of the elastic ring, the method of rigidity analysis, the evaluation of strength life and the research of the application of the elastic ring on SFD (squeeze film damper) were summarized. The structure characteristics of the traditional form, corrugated type, adaptive type and tooth type elastic ring were introduced. Analytical method, finite element method and experimental measurement method for stiffness analysis of elastic rings were described, and the application of elastic rings on SFD was summarized. Besides, It is pointed out that future research on elastic rings should focus on multidisciplinary multi-objective structural optimization, nonlinear dynamic control and characteristics under extreme adverse conditions. This provides reference for structural optimization design and vibration reduction application of aero engine elastic ring.

Graphical abstract

关键词

航空发动机 / 弹性环 / 刚度 / 挤压油膜阻尼器 / 非线性动力学

Key words

aero-engine / elastic ring / stiffness / squeeze film damper / nonlinear dynamics

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聂卫健, 李维, 刘飞春, 李坚, 唐广. 航空发动机弹性环及其在SFD上的应用研究进展[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(22): 9441-9451 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504794

NIE Wei-jian, LI Wei, LIU Fei-chun, LI Jian, TANG Guang. Research Progress of Aero Engine Elastic Ring and Its Application on SFD[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(22): 9441-9451 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504794

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转子系统是航空发动机等精密旋转机械十分重要的部件,诸多学者开展了涵盖动力学分析^[1-2]、故障研究^[3-4]以及动力特性试验^[5-6]等方面的研究工作。现代航空发动机为了追求卓越的性能,其转子系统常设计为需要跨越多阶弯曲临界转速^[7]的结构形式。然而,由于转子或多或少存在初始不平衡量,加之其长期工作在实际复杂工作环境中,使得转子在临界转速/高转速下会产生较大的振动响应,尤其是在转子系统承受较大突加基础冲击载荷时,振动瞬时增大,危及转子的安全运行^[8]。为实现转子临界转速的调整,常在转子的支承处设计弹性支承(常见结构形式包括鼠笼式和弹性环式),为转子系统提供必要的刚度,通过开展支承刚度对转子临界转速影响的系统计算分析,掌握转子各支承的刚度对临界转速的影响规律,为调整转子临界转速提供理论支持;此外,由于转子工作环境十分恶劣,常发生振动大等影响安全的故障,减振设计是必要的手段,常通过弹性支承结合挤压油膜阻尼器(squeeze film damper, SFD)的组合应用,以提供减振阻尼,为航空发动机转子系统在复杂恶劣工况下长期稳定运行提供保障^[9]。弹性环作为一种典型的弹性支承元件,凭借其结构简化的特征在先进航空发动机转子系统中获得广泛应用,在转子临界转速调控及振动响应抑制等动力学性能优化方面展现出显著工程价值。该类环形弹性元件由内外环体通过周期性交错排布的凸台构成,其刚度特性可通过参数化几何设计实现精确调控。鉴于航空发动机转子系统需承受复杂交变载荷,弹性环的疲劳强度与服役寿命直接关系转子的运行安全性。因此,研究弹性环的结构形式、建立精确的强度评估模型与寿命预测方法以及弹性环式SFD具有重要工程意义。

因此,现归纳弹性环结构形式与作用、刚度计算分析方法、强度寿命评估方法以及弹性环在SFD上的应用研究现状,同时总结当前弹性环在多目标多学科优化设计、非线性动力学控制以及极端恶劣工况下工作特性等方面研究的局限性,指出未来研究方向,以期为弹性环结构优化、提升航空动力装备可靠性提供借鉴。

1 弹性环结构形式及作用

常见的弹性支承结构包括鼠笼式和弹性环式,如图1所示。鼠笼式弹性支承一般由安装边、鼠笼弹条及与轴承外环相配合的弹条外环组成,在弹条外环设计有沟槽,沟槽外侧与轴承座相配合,内侧设计有通油的小孔,在转子旋转时在轴承外环形成挤压油膜,从而达到减震的目的。鼠笼弹支刚度可通过调整弹条数量、长度、厚度、宽度^[10-11]以及鼠笼半径^[12]来确定。相比于传统鼠笼结构,弹性环式弹性支承因结构简单、质量轻及空间占用小等优势而备受关注,广泛应用于航空发动机等旋转机械中。弹性环由内外交错的凸台组成,内凸台设置在环内侧,外凸台设置在环外侧,这些凸台沿周向均匀布置,弹性环的刚度主要由凸台数量、宽度、高度等结构参数决定。

传统的弹性环采用内外交错的凸台设计,凸台根部易产生应力集中现象,影响弹性环强度。为解决该问题,武红凯^[13]提出一种波纹弹性环(图2),该结构弹性环以周向正弦/余弦波纹代替凸台,在形状上光滑连续,可有效消除应力集中,使其分布连续。通过有限元分析表明,相比于传统的弹性环结构,其最大应力可降低64%。

此外,传统弹性环易产生角向卡滞,且由于内外壁凸台之间无法实现滑油流动,导致因滑油流动不畅易形成“半油膜”现象。针对此结构缺陷,王永锋等^[14]设计了一种自适应角向变形的低刚度弹性环结构,如图3所示。通过对内、外凸台的圆弧进行修型,大幅减小了应力集中,同时也降低了角向刚度,从而避免了角向卡滞问题;另外,在相邻凸台之间设计了小孔,滑油受挤压通过小孔流入充满凸台之间的空间,同时在内凸台之间设计两道油槽,使滑油可迅速充满各凸台之间的内腔,有效避免了“半油膜”现象。

此外,齿式弹性环是一种应用较少的异形弹性环,其凸台沿周向伸出(图4),形状像锯齿,常用于早期小型涡喷航空发动机或对寿命要求较低的航空发动机上,目前很少应用。

航空发动机追求卓越的性能,结构紧凑,弹性环得到广泛应用。其转子系统需要跨多阶弯曲临界转速工作,易在临界转速附近因振动大引发安全问题,必须采取措施以确保转子系统安全可靠工作。航空发动机设计手册要求转子系统的临界转速应远离所有工作转速(额定工作转速或者慢车转速等)并具有不少于20%的安全裕度。为了满足裕度要求,需要根据试验结果对转子的质量分布、支承布局等进行调整,然而,直接改变转子结构难以实现,主要因为在发动机总体结构基本确定的情况下,改变转子结构可能导致发动机其他部件也要相应进行更改,实施周期非常长且不利于发动机研制。此时最为方便的方法就是改变弹性环的刚度。当然,弹性环除了在转子运行过程中提供一定的支承刚度外,还提供一定阻尼,与转子轴承座、轴承外环等结构组成挤压油膜阻尼器,对转子起到很好的减震作用。

2 刚度分析

2.1 解析法

弹性环的刚度^[15]的求解公式为

(1)K=$\frac{0.129E{m}^{4}{h}^{3}B}{({D}_{m}{-0.3bm)}^{3}\left[1\right.-\left(1-\frac{{h}^{3}}{H { }^{3}}\right)\left(1.45\right.A-0.9{A}^{2}+0.2{A}^{3})]}$

式(1)中:

(2)A=(b+$\sqrt{d\Delta }$)$\frac{m}{{D}_{m}}$

(3)D_m=$\frac{1}{2}$(D₁+D₂)

(4)H=Δ+h

式中:D_m为弹性环平均直径;m为弹性环的结构系数;Δ为凸台高度,mm;h为壁厚,mm;b为凸台宽度,mm;d为倒圆直径,mm;D₁为内径,mm;D₂为外径,mm;B为环宽度,mm;E为弹性模量,GPa。

将弹性环的参数值导入解析计算式,即可得到其刚度。关于解析法刚度分析,李立新^[16]采用简化弹性环的模型,基于解析方法对图4所示的齿式弹性环的刚度进行了计算分析,推导出了齿式弹性环的刚度公式,并经过实验和有限元验证了公式的有效性。此外,还提出考虑误差修正的弹性环刚度目标函数,基于遗传算法开展了变量优化设计,结合有限元法对优化结果的准确性进行了验证^[17]。

解析法作为弹性环刚度特性分析的传统技术路径,虽然存在求解速度快的特点,但较大程度上依赖经验公式,对弹性环几何结构、边界条件与工况载荷进行了简化,对弹性环在转子系统上的工作环境未进行综合考虑,无法模拟弹性环与连接配合的轴承、轴承座之间的装配关系以及复杂的工作载荷,使得计算误差较大,可作为初步设计时弹性环刚度的评估,无法进行参数化精细设计。

2.2 有限元法

有限元分析方法可模拟弹性环在转子上工作的配合关系、载荷工况、受力等边界条件。通过在弹性环内环、外环分别设置加载体和约束体,通过加载计算其变形量,进而求得刚度值。某弹性环的刚度计算模型和形变分布图如图5和图6所示。

针对弹性环刚度的有限元法分析,诸多学者开展了研究。如齐文浩等^[18]基于有限元法对弹性环组件的刚度进行了分析,利用刚度测量试验装置进行试验,结果表明弹性环在加载过程中出现迟滞回线现象,当弹性环的形变到达极限时,其刚度基本不再变化;罗忠等^[19]建立了弹性环的有限元模型,就其动刚度开展了计算分析、测试研究,动刚度测试结果表明分析方法有效;曹磊等^[20]通过解析法和有限元刚度计算结果的对比,发现有限元的计算误差更小,可更精确模拟弹性环的接触边界条件;卢玲玲等^[21]在解析法的基础上,结合有限元法,针对某涡扇发动机采用轴向定位的弹性环开展了优化设计;马艳红等^[22]则借助有限元软件针对弹性环-金属橡胶组合支承结构的刚度开展了设计和试验验证工作,发展了组合支承刚度设计方法。

弹性环在航空发动机转子上的装配示意图如图7所示,弹性环置于外支承和轴承外环之间,工作时受到复杂的载荷作用,影响其刚度的因素众多。刘闯等^[23]基于某型弹性环的有限元模型开展结构参数对其刚度的影响程度分析,结果发现弹性环壁厚对其刚度影响最大,其次为凸台个数、高度等参数,而圆角的半径对弹性环的刚度几乎没有影响;刘文魁等^[24]采用有限元法计算得到了某涡轴发动机弹性环的刚度,并基于刚度测量试验验证了有限元模型的准确性,此外,还针对弹性环的结构参数(凸台数目、凸台宽度、凸台倒圆半径、壁厚、环内外径)对刚度的影响进行了系统的分析,为弹性环的结构和刚度设计提供了理论依据。然而,未通过开展更多的试验对理论分析结果进行进一步验证。

弹性环的动力学行为由其结构参数决定,其中刚度是影响转子系统性能的关键因素。弹性环在转子运转时,受到凸台接触状态、配合关系等因素的影响,使得其刚度表现出非线性现象。Zhang等^[25]发现弹性环在受到油膜力的作用时会形变,影响凸台接触状态,从而改变弹性环的刚度;Diligenskiy等^[26]运用有限元方法,发现了弹性环刚度在考虑配合紧度、复杂载荷等影响下表现出非线性的特征,并探讨了不同配合紧度对弹性环刚度的影响;Shi等^[27]发现弹性环刚度的非线性现象,并采用有限元法研究了弹性环结构参数和装配配合关系对刚度非线性的影响,发现增加凸台宽度、减小凸台高度或增加凸台数量都会减弱刚度非线性,这种非线性可以通过保持较小的间隙配合来缓解;刘勇等^[28]基于ANSYS建立了考虑内外支撑接触因素的非线性模型,分析了弹性环环段数量、凸台弧度、弹性环厚度等对刚度的影响,并根据实际工程因素给出了优选的结构参考方案。

此外,杨阳等^[29]提出一种弹性环刚度优化设计方法,将钢环考虑成几个弹性单元的组合,每个弹性单元由一个内凸台以及相邻两个1/2外凸台组成,推导出了整体刚度与单元刚度的关系,并结合有限元法求解单元刚度,从而求解得到整体刚度;段入柯等^[30]提出一种可以通过调节弹性环凸台空腔中晶格结构的填充系数来调节弹性环的径向刚度的调节方法。可以在弹性环的材料和几何参数不变的情况下调节弹性环的刚度。

综上所述,有限元法作为弹性环刚度特性分析的核心数值工具,通过将连续体离散为有限单元并构建代数方程组进行求解,在工程应用中展现出显著的技术优势与独特的理论价值。该方法突破传统解析法对复杂几何的简化限制,可精确表征弹性环的波纹状曲面、齿形啮合结构及变截面凸台等拓扑细节。该方法通过参数化建模技术建立刚度与凸台高度、壁厚、轴向宽度等设计变量的显式函数关系,实现多目标优化设计,虽存在计算效率瓶颈及网格依赖性等局限性,但仍是目前航空发动机转子系统弹性支承元件高精度设计与服役性能评估的核心方法。

2.3 实验测量

有限元法可准确计算弹性环的刚度,但在工程实际中常因加工造成结构参数与设计值不一致,造成刚度差异,因此,需要通过实验测量获得弹性环刚度的实际值,为转子系统动力特性评估提供准确的刚度数据。弹性环的刚度测量主要原理是基于加载力与弹性环在所受力下的变形比值换算得到,弹性环的装配环境与真实工况是否符合、弹性环形变测量准确性等是影响刚度测量准确的关键因素。弹性环刚度测量实物照片如图8所示,弹性环通过加载环固定在试验器上,弹性环内环与芯棒接触,在加载环下方叠加砝码,测量加载环上方的位移量,进而得到弹性环的刚度。

图8所示只能测量弹性环垂直方向的刚度,为解决其他方向的刚度测量问题,彭春雷等^[31]提出了一种弹性环刚度测量装置及测量方法,实现了在传动装置有约束定位的条件下对弹性环的变形量的检测,提高了测量精度,且方便、快捷地实现弹性环在不同方向上的刚度值的测量;此外,杨德志等^[32]在上述方法基础上,提出一种弹性环刚度的测试平台及弹性环刚度的测试方法,通过加载装置施加载荷,而位移传感器直接测量弹性环的变形,以减少在对弹性环的刚度测试中由位移测量带来的误差。

3 强度、寿命评估

在弹性环的设计过程中,不仅需要根据转子临界转速等动力学设计需求考虑弹性环的刚度设计,同时还必须综合考虑其强度是否满足使用要求。弹性环在航空发动机转子上受到各式各样复杂的耦合载荷,容易发生故障,某小型涡扇发动机低压转子弹性环在运行过程中,未设计周向防转,导致弹性环外环面摩擦和断裂^[33](图9),危及转子的运行安全。因此,弹性环设计时必须考虑周向防转结构,防止弹性环内环与轴承、外环与轴承座发生相对滑动。常采用的周向防转结构有防转槽和凸耳结构,如图10所示。

转子在高速运行过程中,弹性环支承位置会产生径向分布和周向分布的载荷,从而引发周向滑动,影响弹性环定位销的强度。杨延昭等^[34]采用凸台与轴承座融合分布式周向限位设计,大幅降低了弹性环定位销连接处的应力,解决了局部应力集中问题。弹性环在工作时,强度受到自身结构参数、配合关系等方面的影响。在弹性环结构参数影响方面,龙向阳等^[35]在研究弹性环刚度随主要结构参数的变化规律的基础上,还开展了强度特性分析,发现弹性环凸台处的倒圆、凸台数和壁厚等参数均对弹性环的强度有影响,为弹性环的强度分析和结构设计提供了方法;在配合关系影响方面,弹性环实际在转子上内环与轴承配合,外环与轴承座相互配合,罗忠等^[36]发现弹性环强度考核位于凸台的圆角处,并且弹性环配合关系会影响弹性环的刚度和强度。主要体现在:相同位移条件下,弹性环在过盈配合下的最大应力值最大,其次为过渡配合,当配合关系为间隙配合时,最大应力值最小。杨明林^[37]研究了弹性环的应力特征,并分析了小孔的形状与位置、凸台宽度、弹性环厚度等结构参数对弹性环疲劳强度的影响,为弹性环疲劳性能提升提供了参考。

此外,曾瑶等^[38]提出一种弹性环的环段厚度设计方法,将弹性环划分为多个环段,根据给定的环段厚度初值和弹性模量获取弹性环环段柔度系数,结合有限元法对设计的弹性环寿命进行了分析,工程应用表明采用该方法设计的弹性环的疲劳寿命满足设计要求;丁小飞等^[39]提出一种考虑装配紧度的航空发动机弹性环强度设计方法,降低了弹性环设计的迭代周期,能够满足工程需求;Zhang等^[40]建立有限元模型和交错式双向压力传递迭代法,研究了冲击载荷、转弯机动等复杂工况下弹性环的强度和减振性能。

当前弹性环强度与寿命评估研究已取得阶段性进展,通过参数化分析了凸台数量、高度、壁厚、圆角半径及过盈配合量等几何参数对疲劳寿命的定量影响规律。然而,现有研究仍存在两大核心缺陷:其一,缺乏系统性试验验证,特别是针对航空发动机转子系统特有的高温、高速、强振动耦合工况下的疲劳特性研究不足;其二,现有寿命评估方法未能充分耦合热-机械载荷、离心载荷与流体动压载荷的交互作用,导致理论预测值与实际服役寿命存在显著离散性。未来研究亟需构建模拟弹性环真实复杂载荷的试验体系,进一步掌握弹性环强度与疲劳寿命评估方法。

4 弹性环在SFD上的应用现状

SFD是转子系统中常见的减振结构,早期鼠笼式弹性支承SFD占用空间大、偏心率大、非线性问题突出^[41]。随着航空科学技术的发展,近年来衍生出浮环式SFD^[42]、整体式SFD^[43]、非定心SFD^[44]和弹性环式SFD^[45]等新型SFD结构。

弹性环式SFD将弹性环与SFD有效结合,使其具有良好的承载能力和阻尼特性,常用于航空发动机主轴承支承,以降低极端工况下的高动载荷。弹性环式挤压油膜阻尼器(elastic ring squeeze film damper, ERSFD)相比于其他弹性支承加SFD,结构更加紧凑,占用空间小^[46],同时具有调频和减振功能。常见的ERSFD结构^[47]示意图如图11所示,主要由内、外油膜层和弹性环组成,弹性环周向内、外交错均布设计有凸台,分别与转子轴颈和轴承座接触配合,根据凸台的几何参数和数量可以确定弹性环的支承刚度。弹性环上设置有导流小孔,工作时滑油经过小孔进入弹性环内侧,形成内层油膜,外层油膜由弹性环外侧与轴承座之间充满的滑油形成。

ERSFD技术最早由俄罗斯提出,并成功应用于航空发动机振动抑制领域。中国对该技术的研究起步较晚,始于20世纪90年代。早期,曹磊等^[48-49]率先开展了ERSFD的动力特性研究,初步揭示了其减振机理,并探讨了弹性环凸台接触状态对转子系统临界转速的调控作用。近年来,随着航空科技的飞速发展,ERSFD技术受到广泛关注,李盛翔等^[50]研究者采用有限元法与有限体积法构建了弹性环-油膜耦合模型,通过分域迭代算法求解弹性环应变响应,并开展了相应的实验验证。针对ERSFD在复杂流固耦合场中的受力特性,张晨帅^[51]采用动网格技术构建了ERSFD双向流固耦合模型,重点考察了弹性环双面凸台接触工况下的动力学行为;向凤光等^[52]基于流固耦合交互机制,提出了考虑弹性环变形的转子系统动力学响应分析方法;任鸿飞等^[53]结合广义雷诺方程,建立了含ERSFD的弧齿锥齿轮系统双向流固耦合模型,并开展了动态特性分析;韩知非^[54]采用有限元与流体理论融合的计算方法,分析了弹性环参数对ERSFD油膜压力分布的影响规律,实验验证表明ERSFD对双稳态响应具有显著抑制作用;孙凯等^[55]构建了含装配配合关系的ERSFD流固耦合模型,研究了装配关系对系统动态特性的影响机制;周海仑等^[56]通过双向流固耦合模型,系统分析了弹性环凸台几何参数、油膜间隙及材料属性对ERSFD动力学特性的影响规律,为工程设计提供了理论依据;陈杰等^[57]进一步揭示了弹性环结构参数与ERSFD动力特性系数的关联特性,发现内外油膜间隙、凸台高度与弹性环半径比值等参数与等效油膜刚度、阻尼呈负相关,而偏心率、凸台宽度、弹性环轴向宽度及滑油黏度等参数则呈正相关,且随着偏心率的增大,油膜刚度和阻尼的非线性特征显著增强。

在ERSFD油膜压力特性研究领域,杨小民等^[58]构建了薄环-紊动射流小孔耦合模型,系统分析了弹性环柔度、阻尼孔尺寸及进动角变化对油膜压力分布的影响规律;王震林等^[59-60]针对气穴效应开展ERSFD动力学特性研究,通过正交简谐激振试验验证了其减振效能,并定量揭示了凸台高度增加对油膜阻尼-刚度系数的非线性调制效应;秦源杰等^[61]通过数值模拟研究弹性环参数(包括凸台高度、数量、宽度、弹性环内外连接孔)对ERSFD油膜力特性的影响,表明弹性环变形可有效抑制油膜非线性行为。

在工程应用研究方面,李岩等^[62]通过实验研究了装配间隙与转子不平衡量对ERSFD减振特性的影响,提出弹性环与转轴宜采用间隙配合的设计准则;赵璐等^[63]开展ERSFD参数化减振实验,发现其振动抑制效能具有频段选择性,对不同阶次转子模态的减振效果存在显著差异;李兵等^[64]采用数值-试验融合方法,系统分析了凸台高度、供油压力、滑油温度及不平衡量等参数对转子系统动力学响应的耦合影响;王树涵等^[65]将ERSFD技术引入航空发动机滚动轴承系统,通过构建阻尼器-轴承耦合动力学模型,揭示了ERSFD对轴承保持架稳定性的提升作用,并指出径向载荷与工作转速是影响稳定性的关键因素;张广辉等^[66]通过瞬态冲击试验验证了ERSFD的振动抑制能力,发现供油条件下该装置可显著降低突加不平衡量引发的振动响应。

近年来,ERSFD研究取得显著进展,通过双向流固耦合模型、广义雷诺方程等方法,深入分析了弹性环结构参数、油膜间隙等对ERSFD动力学特性的影响,发现凸台高度、油膜间隙等参数与等效油膜刚度、阻尼成负相关,而偏心率、凸台宽度等参数则成正相关。同时,通过实验验证了ERSFD在航空发动机滚动轴承系统中的振动抑制效能,表明其能有效提高轴承保持架的稳定性,并显著降低突加不平衡量引发的振动响应。然而,当前研究鲜有涉及非线性控制、突加冲击载荷及机动飞行等复杂载荷下的减振性能与可靠性相关内容,亟需开展研究。

5 总结与展望

弹性环凭借质量轻、占用空间小的优势在航空发动机领域应用广泛,但其刚度、阻尼等力学特性受多因素影响,当转子运转时,弹性环的受力与变形特征具有复杂的非线性特征,并且工作在流-固耦合作用复杂载荷下,工作条件复杂。从弹性环的结构形式、作用、刚度分析方法、强度寿命评估等方面总结了研究现状,详细介绍了弹性环在SFD上的应用进展,指出了未来研究方向,主要结论与展望如下。

(1)在弹性环刚度分析方面,传统解析法在弹性环刚度分析上误差较大,仅能用于初步设计时的刚度评估,难以满足对精度要求较高的工程场景需求。有限元法虽能模拟工作边界条件、计算精度较高,但基于弹性环复杂的结构和工作状况,其建模和分析过程可能极为复杂,对计算资源要求高,目前基本能够满足工程分析需求。

(2)弹性环在使用过程中受力复杂,易发生故障。然而,目前缺乏全面且精准的试验来模拟其在航空发动机转子上的实际工作环境、受力情况以及各结构参数的综合影响。特别是突加不平衡及瞬时冲击载荷等极端工况下的试验数据匮乏,导致难以准确评估弹性环的强度和寿命,为弹性环的设计提供充分依据存在困难。

(3)弹性环支承系统涉及结构力学、流体力学、转子动力学等多学科知识,其特性受多参数结构影响。但目前尚未建立完善的多学科多目标优化平台,难以实现弹性环结构参数、油膜特性与动力学的协同优化。同时,缺乏有效的有限元与实验数据大模型,无法快速预测最优设计参数组合。

(4)尽管ERSFD能一定程度上缓解非线性现象,但SFD本质存在非线性特征,制约其性能,未来研究需建立更精确的非线性油膜力模型,以准确预测双稳态、锁死等非线性现象,同时由被动控制向主动控制转变,探索主动控制策略,实现非线性的在线调控。

(5)未来航空发动机面临更严苛的工作环境,追求高推重比、高速机动、宽温域和长寿命,对弹性环的环境适应能力提出了更高要求。然而,目前针对弹性环及ERSFD在突加基础冲击载荷、叶片丢失、碰磨等突加复杂载荷下的性能研究不足,缺乏对这些极端工况下弹性环及ERSFD动态响应、失效机制等方面的深入理解,难以保障航空发动机转子在复杂工况下的安全运行。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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