王慶平 崔巍 劉坤

摘 要：采用仿真計算和試驗驗證相結合的方法，研究了試驗連接結構對某型航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)動力特性的影響。結果表明：連接結構對轉子系統(tǒng)的一階臨界轉速影響較小，對二階、三階臨界轉速影響比較明顯;連接結構采用鈦合金材料對轉子系統(tǒng)和動力輸入軸振動位移幅值的影響明顯小于不銹鋼材料。

關鍵詞：航空發(fā)動;連接結構;轉子系統(tǒng);動力特性

中圖分類號：V231.96 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0098-02

0 引言

航空發(fā)動機的整機振動對發(fā)動機的研制、工作可靠性和壽命等產(chǎn)生直接的影響[1]。統(tǒng)計表明航空發(fā)動機的結構強度故障90%以上是由振動導致或者與振動有關[2]，而轉子——支承系統(tǒng)的振動和穩(wěn)定性直接影響著發(fā)動機的整機振動水平。因此，對轉子——支承系統(tǒng)的動力特性進行研究和改進，是減小發(fā)動機整機振動行之有效的方法。

影響轉子系統(tǒng)動力特性的因素很多。彈性支承的動力特性參數(shù)，直接影響轉子系統(tǒng)的動力特性以及整臺發(fā)動機的振動水平[3-4]，且支承剛度是重要的影響因素之一[5];彈性支承與軸承外環(huán)之間的擠壓油膜，對整個轉子系統(tǒng)可以起到較好的減振效果[6-9];試驗研究時轉子系統(tǒng)與試驗臺之間的連接結構也對轉子系統(tǒng)的動力特性產(chǎn)生不可忽略的影響[10]。

本文針對某型航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)，通過仿真計算和試驗驗證結合的方法，研究轉子系統(tǒng)與試驗臺之間的連接結構對轉子系統(tǒng)動力特性的影響。

1 轉子系統(tǒng)簡介

某型航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)主要由軸流葉輪、離心葉輪、兩級燃氣渦輪、中心拉桿以及轉子與試驗臺連接的套齒、連接環(huán)等組成，轉子組件之間采用圓弧端齒定心、定位，通過中心拉桿施加預緊力連接在一起，其結構簡圖如圖1所示。

2 有限元模型及計算結果

2.1有限元模型

本文為了分析有無套齒和連接環(huán)（連接結構），以及使用不同材料對轉子系統(tǒng)動力學特性的影響，建立了有限元仿真計算模型。有限元模型采用八節(jié)點四邊形單元，前后兩個彈性支承使用軸承單元模擬，采用集中質(zhì)量單元模擬葉片及部分輪盤、導流盤等。有無連接結構的有限元模型如圖2和圖3所示。

2.2計算結果

前、后彈支剛度分別取1.8×107N/m和4.9×107N/m，有無連接結構以及連接結構分別采用不銹鋼和鈦合金（TC4）材料時，轉子系統(tǒng)的動力特性計算結果見表1;有無連接結構轉子系統(tǒng)的振型基本一致，本文僅給出有連接結構轉子系統(tǒng)的振型圖，如圖4～圖6所示。

分析圖4～圖6可知，轉子系統(tǒng)一階振型為平動，二階振型為擺動，三階振型為彎曲。

分析表1可知，有連接結構時，轉子系統(tǒng)各階臨界轉速裕度均有較明顯的降低，最小降低約4.1%，最大降低約38%。連接結構使用不銹鋼或者鈦合金材料，對轉子系統(tǒng)的一階臨界轉速基本無影響;二階臨界轉速裕度僅有14.5%和9.2%，不滿足轉子臨界轉速裕度要求[11]，由于轉子系統(tǒng)工作時不在此轉速范圍內(nèi)長時間停留，影響相對較小;連接結構采用不銹鋼材料時，轉子系統(tǒng)的三階臨界轉速裕度僅1.7%，無法滿足使用要求，采用鈦合金材料時，三階臨界轉速裕度有13.3%的裕度，在做好振動監(jiān)測的前提下，可以進行相關轉子系統(tǒng)動力特性試驗。

仿真計算結果為后續(xù)的轉子系統(tǒng)動力特性試驗提供了設計參考和依據(jù)。

3 試驗驗證

3.1試驗器簡介

試驗使用的高速轉子動力特性試驗器，具有轉速控制精度高，參數(shù)測試精度高等優(yōu)點。在前、后軸承座安裝加速度傳感器和位移傳感器測量轉子系統(tǒng)的振動加速度和振動位移幅值，使用應變計和溫度傳感器監(jiān)測軸承的應力和溫度。試驗器安裝及測試示意如圖7所示。

“⊥”表示垂直方向，“=”表示水平方向;A1～A4為加速度傳感器，D1為振動位移傳感器，S1～S4為測量彈支應力的應變計，T1～T2為軸承溫度傳感器。

3.2試驗結果及分析

使用高速轉子動力特性試驗器，針對連接結構采用不銹鋼材料和鈦合金材料轉子系統(tǒng)，分別開展了動力特性試驗研究。試驗結果如圖8～圖12所示。

分析圖8～圖11可知，連接結構采用不銹鋼或者鈦合金材料時，轉子系統(tǒng)的一階臨界轉速基本相同，均在10000rpm左右，二階臨界轉速分別約為21000rpm和23200rpm，與仿真計算結果一致。轉子系統(tǒng)過一階臨界轉速時，振動較小，過二階臨界轉速時，采用不銹鋼材料連接結構的轉子系統(tǒng)有明顯的振動增大現(xiàn)象，且出現(xiàn)多個振動尖峰，而采用鈦合金材料連接結構的轉子系統(tǒng)，振動位移幅值較小且變化比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯振動尖峰。

分析圖12可知，連接結構采用鈦合金材料時，動力輸入軸的振動位移幅值明顯低于不銹鋼材料，且變化比較平穩(wěn)。采用不銹鋼連接結構的轉子系統(tǒng)，在轉速27500rpm時，由于動力輸入軸的振動位移幅值超限，導致試驗無法繼續(xù)。

4 結論

通過仿真計算和試驗驗證，研究了采用不同材料的連接結構對轉子系統(tǒng)動力特性的影響，得到主要結論如下：

（1）有無連接結構，以及連接結構采用不同材料，對轉子系統(tǒng)的一階臨界轉速影響較小，對二階和三階臨界轉速有較明顯的影響;

（2）連接結構采用不銹鋼或者鈦合金材料時，轉子系統(tǒng)和動力輸入軸的振動位移幅值相差較大，鈦合金材料明顯小于不銹鋼材料;

（3）在設計轉子系統(tǒng)與試驗臺的連接結構時，在滿足結構強度的前提下，應選擇密度小重量輕的材料和結構，以減小對轉子系統(tǒng)的影響。

參考文獻

[1] 陳釗.彈支擠壓油膜阻尼器動力特性分析方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[2] 蘇春峰.彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器動力特性研究[D].沈陽：沈陽航空工業(yè)學院，2009.

[3] 黃太平.彈性支承與轉子之間參數(shù)匹配分析[J].南京航空航天大學學報，1983（3）：5-25.

[4] 洪杰，王華，肖大為，等.轉子支承動剛度對轉子動力特性的影響分析[J].航空發(fā)動機，2008，34（1）：23-27.

[5] 張大義，母國新，洪杰.航空發(fā)動機轉子支承系統(tǒng)剛度計算中的幾個問題[J].戰(zhàn)術導彈技術，2015（2）：20-23.

[6] 周海侖.含浮環(huán)式擠壓油膜阻尼器的轉子系統(tǒng)動力特性分析[D].南京：南京航空航天大學，2013.

[7] 張蕊華，湯軍浪，熊智文，等.新型擠壓油膜阻尼器油膜壓力特性分析[J].中國機械工程，2010，21（15）：1840-1843.

[8] GU Zhiping，HE Xingsuo1，F(xiàn)ENG Ningsheng.Dynamic Modeling of SFD Pressure Measurement System[J].Physical and Numerical Simulation of Geotechnical Engineering，2012，7th Issue：104-107.

[9] LU Yong zhong，LIAO Dao xun，HUANG Qi bai.Research on a Rigid Rotor-Sliding Bearing System with a Squeeze Film Damper[J].Journal of shanghai University（English Edition），2001，5（3）：224-229.

[10] 諶剛，駱振黃.帶萬向節(jié)轉子的動力學特性分析[C].全國轉子動力學學術討論會，1989.

[11] 航空發(fā)動機設計手冊 第19冊 轉子動力學及整機振動[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.