聶衛(wèi)健，鄧旺群，盧艷輝，劉文魁，馮 義

(1.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 102206；2.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；3.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002)

1 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，在不可避免的不平衡量的影響下，使得轉(zhuǎn)子在過(guò)臨界時(shí)，振動(dòng)和支承外力較大。因此，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，常需要考慮減振設(shè)計(jì)。擠壓油膜阻尼器(SFD)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。很多學(xué)者針對(duì)擠壓油膜阻尼器進(jìn)行了大量的研究，如石斌[1]、曹磊[2]等就航空發(fā)動(dòng)機(jī)SFD 設(shè)計(jì)方法和彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器(ERSFD)設(shè)計(jì)因素，進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；周海侖[3]、馬艷紅[4]、崔穎[5]等分別建立了浮環(huán)式SFD、自適應(yīng)SFD、非同心型SFD 的數(shù)值仿真模型，分析了其減振機(jī)理；王文[6]、張澄源[7]等對(duì)帶端封的SFD 開(kāi)展了系統(tǒng)的分析和研究。然而，實(shí)際工作時(shí)的SFD 性能，與轉(zhuǎn)子本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)力學(xué)特性關(guān)系密切，其減振能力需要通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。祝長(zhǎng)生等[8]在多盤柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置上，進(jìn)行了同心和非同心型SFD 減振能力的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并取得顯著成果；張力豪等[9]開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了新型整體式彈性環(huán)SFD，并在實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)子上進(jìn)行了過(guò)臨界時(shí)的減振能力實(shí)驗(yàn)。

非定心擠壓油膜阻尼器(n-CSFD)具有占用空間小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其的研究大多還停留在減振機(jī)理和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)子應(yīng)用層面，對(duì)其在真實(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的應(yīng)用和減振效果，需要更充分的試驗(yàn)研究。此外，現(xiàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)追求良好的機(jī)動(dòng)性能，要求轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速隨不同姿態(tài)模式變化，并且具有寬廣的工作轉(zhuǎn)速范圍，對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)格的要求。

本文以帶n-CSFD 結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，開(kāi)展了動(dòng)力學(xué)分析、n-CSFD減振效果和定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性試驗(yàn)研究。研究成果可直接應(yīng)用于裝機(jī)轉(zhuǎn)子，也可為同類型轉(zhuǎn)子減振設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)、空心結(jié)構(gòu)的柔性轉(zhuǎn)子，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。整個(gè)轉(zhuǎn)子主要由動(dòng)力渦輪軸、兩級(jí)動(dòng)力渦輪模擬盤等零部件組成。兩級(jí)動(dòng)力渦輪模擬盤之間通過(guò)端齒連接，其質(zhì)心位置、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，均與裝機(jī)轉(zhuǎn)子保持良好的一致性。模擬轉(zhuǎn)子各零部件之間的配合關(guān)系、連接結(jié)構(gòu)與裝機(jī)轉(zhuǎn)子一致。動(dòng)力渦輪軸長(zhǎng)度近1.5 m，且為空心結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子采用4 支點(diǎn)支承方式，分別為1 號(hào)、2 號(hào)、6.5 號(hào)及7 號(hào)支承，編號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)上保持一致。

3 有限元模型

3.1 支承剛度

2 號(hào)支承剛度以油膜剛度為主。根據(jù)短軸承理論[10]，油膜剛度的近似計(jì)算公式為：

式中：C為油膜厚度；R為軸頸半徑；L為油膜長(zhǎng)度；μ為滑油黏度，μ=ν?ρ，ν為滑油運(yùn)動(dòng)黏度，ρ為滑油密度；ε為偏心率；?為轉(zhuǎn)速。

為了研究n-CSFD 的減振效果，在2 號(hào)支承處設(shè)計(jì)了n-CSFD。如圖2 所示，通過(guò)供油孔供油，滑油經(jīng)過(guò)軸承套到達(dá)軸承外環(huán)，充滿軸承外環(huán)與軸承套之間的間隙，形成擠壓油膜。根據(jù)不同的油膜參數(shù)，代入公式(1)計(jì)算得到2 號(hào)支承剛度。各支承剛度見(jiàn)表1。

圖2 轉(zhuǎn)子非定心擠壓油膜阻尼器示意圖Fig.2 Diagram of n-CSFD

表1 支承剛度Table1 Stiffness of supports

3.2 有限元模型

建立的轉(zhuǎn)子有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖3，分別用梁?jiǎn)卧?、軸承單元和集中質(zhì)量單元模擬轉(zhuǎn)子主體、支承和部分動(dòng)力渦輪模擬盤。模型共有708 個(gè)梁?jiǎn)卧?17 個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 個(gè)集中質(zhì)量單元，以及4 個(gè)軸承單元。集中質(zhì)量單元特性見(jiàn)表2。

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element calculation model of the rotormargin of critical speeds

表2 集中質(zhì)量特性Table2 The characteristic of concentrated mass

4 動(dòng)力學(xué)分析

計(jì)算分析了2 號(hào)支承處在不同支承條件(剛性支承和不同油膜間隙)下的前三階臨界轉(zhuǎn)速和振型，結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4。從表中可知：隨著油膜間隙不斷變大，動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子前三階臨界轉(zhuǎn)速均不斷變??；轉(zhuǎn)子前三階振型均為彎曲振型，且隨著油膜間隙不斷變大，前三階振型彎曲程度也逐漸變大。究其原因，主要是因?yàn)殡S著油膜間隙逐漸變大，支承處的油膜剛度不斷變小，支承由剛性支承向彈性支承變化。此外，由表4 還可以看出，轉(zhuǎn)子軸中部彎曲程度最大。因此，試驗(yàn)過(guò)程中，位移測(cè)點(diǎn)布置在轉(zhuǎn)子中間部位。

表3 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculation results and margin of critical speeds

表4 振型計(jì)算結(jié)果Table 4 The calculation result of vibration shapes

5 試驗(yàn)研究

5.1 試驗(yàn)測(cè)試

動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性試驗(yàn)在臥式高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器上進(jìn)行，動(dòng)力通過(guò)兩端帶花鍵的空心浮動(dòng)軸輸入。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)光電傳感器、電渦流位移傳感器、加速度傳感器，分別測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子撓度、支座和轉(zhuǎn)接段上的振動(dòng)加速度。動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子在試驗(yàn)器上的安裝及測(cè)試示意圖見(jiàn)圖4(圖中，“⊥”表示垂直方向，“＝”表示水平方向，A1～A6為加速度傳感器，D1～D4為位移傳感器)，實(shí)物照片見(jiàn)圖5。

圖4 轉(zhuǎn)子測(cè)試示意圖Fig.4 Test schematic diagram of the rotor

圖5 轉(zhuǎn)子在試驗(yàn)器上安裝照片F(xiàn)ig.5 The photo of the rotor on test rig

5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2 號(hào)支承在不同支承條件下，動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子在試驗(yàn)過(guò)程中，由D1～D4位移傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子撓度-轉(zhuǎn)速曲線見(jiàn)圖6。

由于第一階臨界轉(zhuǎn)速不明顯，因此只針對(duì)第二階臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比分析。由4 個(gè)位移傳感器測(cè)得的第二階臨界轉(zhuǎn)速及相對(duì)于試驗(yàn)值的計(jì)算誤差見(jiàn)表5。

表5 第二階臨界轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算誤差Table 5 The results and calculation errors of the second critical speeds

由試驗(yàn)結(jié)果得到轉(zhuǎn)子越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，由位移傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子撓度見(jiàn)表6，由振動(dòng)加速度傳感器測(cè)得的振動(dòng)加速度值見(jiàn)表7。不同擠壓油膜間隙下，臨界轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子撓度和振動(dòng)加速度的減小幅度見(jiàn)表8。

表6 轉(zhuǎn)子越過(guò)臨界時(shí)的撓度值Table 6 The deflection value of rotor when crossing the second critical speed

表7 轉(zhuǎn)子越過(guò)臨界時(shí)振動(dòng)加速度值Table 7 The vibration acceleration value of rotor when crossing the second critical speed

由圖6、表5～表8 可以看出：①臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算誤差不大于7.62%?？紤]到n-CSFD 結(jié)構(gòu)實(shí)際的復(fù)雜工作環(huán)境，以及實(shí)際工況下轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性差異，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。②相比于剛性支承條件，2 號(hào)支承采用n-CSFD 結(jié)構(gòu)，在臨界轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度和振動(dòng)加速度均出現(xiàn)不同程度的減小。其中，油膜間隙為0.12 mm 時(shí)，減小幅度不低于16.36%；油膜間隙為0.30 mm 時(shí)，減小幅度不低于32.43%：表明n-CSFD 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上具有良好的減振效果。

表8 臨界轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子撓度和振動(dòng)加速度的減小幅度Table 8 Reduction of rotor deflection and vibration acceleration at critical speed

圖6 不同支承條件下的轉(zhuǎn)子撓度隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.6 Rotor deflection curve versus speed under different support conditions

5.3 定轉(zhuǎn)速下停留試驗(yàn)

為保障轉(zhuǎn)子在寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)安全工作，要求轉(zhuǎn)子在寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)每個(gè)定轉(zhuǎn)速下都能穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子，在57%～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)9 個(gè)定轉(zhuǎn)速下依次停留2 min，各位移傳感器和各振動(dòng)加速度傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子撓度和振動(dòng)加速度變化值，分別見(jiàn)表9 和表10。可見(jiàn)，在57%～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的各定轉(zhuǎn)速下，動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子撓度變化值不超過(guò)4μm，振動(dòng)加速度變化值不超過(guò)0.04g。據(jù)此可以認(rèn)為，動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子在57%～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的每個(gè)定轉(zhuǎn)速下，都能夠穩(wěn)定工作。因此，轉(zhuǎn)子具有寬廣的工作轉(zhuǎn)速范圍。

表9 定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度變化值Table 9 Variation of rotor deflection at certain speeds

表10 定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子振動(dòng)加速度變化值Table 10 Variation of vibration acceleration at certain speeds

6 結(jié)論

以帶非定心擠壓油膜阻尼器結(jié)構(gòu)的空心長(zhǎng)軸動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，開(kāi)展了動(dòng)力渦輪模擬轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析、非定心擠壓油膜阻尼器減振效果和定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子振動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，主要結(jié)論為：

(1) 轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在兩階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，計(jì)算模型較好地反映了轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性；

(2) 非定心擠壓油膜阻尼器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上具有良好的減振效果，且隨油膜間隙變大，減振效果更好；

(3) 定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子撓度和振動(dòng)加速度變化值均很小，轉(zhuǎn)子能夠在57%～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定、安全工作。