對轉發動機模擬低壓轉子動力特性研究

鄧旺群，唐 廣，舒斯榮，郭飛躍

（航空動力機械研究所，湖南株洲 412002）

1 引言

現代中小型航空發動機性能日益提高，必然要求發動機轉速提高，從而使得轉子朝著長徑比越來越大、越來越“柔”的方向發展。因此，在設計及發展過程中，轉子動力學問題的重要性大為增加，可以說，轉子動力學技術在某種程度上已成為決定發動機總體方案設計、發動機研制的關鍵因素。如某新型對轉發動機低壓渦輪轉子在達到額定工作轉速之前需跨越3階彎曲臨界轉速，導致轉子動力學問題十分突出，這種方案是否可行成為研制開始階段就必須解決的重要問題。為此，設計加工了1個模擬低壓轉子對轉子動力學問題進行試驗驗證。

本文針對該模擬低壓轉子的動力特性開展理論和試驗研究，用SAMCEF/ROTOR大型分析軟件建立了模擬低壓轉子動力特性的有限元計算模型，計算得到了轉子的前4階臨界轉速值和前4階振型圖，并在高速旋轉試驗器上完成了模擬低壓轉子在額定工作轉速范圍內的動力特性驗證試驗。

2 計算模型及原始數據

2.1 計算模型

用SAMCEF/ROTOR分析軟件建立的轉子有限元計算模型如圖1所示。模擬風扇盤在圖1中未顯示的部分用集中質量單元來模擬，用軸承單元模擬轉子支承，用梁單元模擬轉子主體。整個計算模型共包含269個梁單元、579個節點、3個軸承單元和1個集中質量單元。

2.2 計算原始數據

2.2.1 材料及性能

計算用到的材料及性能數據[1,2]見表1。

2.2.2 集中質量

部分模擬風扇盤作為集中質量處理，見表2。

表1 材料性能

表2 集中質量特性

2.2.3 支承剛度

在計算過程中，中間軸承的剛度取5.0×107N/m，前、后軸承位置均有鼠籠式彈性支承，實測的彈支剛度值分別為：前彈性支承（靠近模擬風扇盤）的剛度為7.85×106N/m，后彈性支承（靠近模擬低壓渦輪盤）的剛度為7.00×106N/m。

3 計算結果及分析

3.1 臨界轉速

模擬低壓轉子前4階臨界轉速計算值及裕度見表3。

表3 臨界轉速計算值及裕度

在表3中，臨界轉速裕度定義為（下同）

從計算結果可知：（1）轉子在額定工作轉速范圍內存在3階臨界轉速；（2）各階臨界轉速對額定工作轉速的裕度均大于35%，滿足設計準則[3]的要求；（3）轉子的第4階臨界轉速相對于額定工作轉速的裕度遠大于第3階臨界轉速相對于額定工作轉速的裕度，因此，轉子在額定工作轉速下主要受第3階模態的影響。

3.2 振型

模擬低壓轉子的前4階振型如圖2～5所示。

從前4階振型圖明顯看出，模擬低壓轉子雖然是兩端帶彈性支承的轉子，但沒有真正意義上的剛體振型，全部為彎曲振型，造成這種結果的主要原因是由于低壓軸非常細長、剛性較小，從而使得轉子是1個非常柔性的轉子，嚴格來說，是1個帶細長柔性軸的柔性轉子。

4 動力特性試驗

4.1 試驗簡介

模擬低壓轉子的動力特性試驗在臥式高速旋轉試驗器上進行，試驗器的設計轉速和功率均滿足試驗要求，帶真空系統，滑油為8號和20號航空潤滑油按一定比例的混合油，動力通過兩端帶花鍵的浮動軸從模擬渦輪盤端輸入。試驗過程中測量轉子撓度、支座振動加速度和彈支應變，撓度測試儀器采用德國Schenck公司生產的VP-41振動分析儀，加速度由數據采集系統測得，應變由國產VIB2040專用振動應力測試儀和奧地利DEWE-3020動態信號記錄分析儀測得。在試驗過程中，轉子的安裝及測試示意圖如圖6所示，在試驗器上的實物照片如圖7所示。

4.2 試驗結果

由位于同一軸截面的垂直方向位移傳感器D3和水平方向位移傳感器D4測得的幅值-轉速曲線如圖8所示（因篇幅有限，本文未給出D1和D2傳感器測得的相應曲線）。

4.3 結果分析

從圖8可知：（1）模擬低壓轉子在運行到額定工作轉速的過程中越過了3階臨界轉速，在圖中均對應有3個明顯的共振峰值；（2）圖中的共振峰值說明在臨界轉速下低壓軸發生了明顯的彎曲變形，說明轉子的各階振型確屬彎曲振型；（3）模擬低壓轉子在80%～100%額定工作轉速區域有1個振幅反復震蕩的過程，原因尚不清楚，有待今后深入研究。

前3階臨界轉速試驗值及裕度見表4。

表4 臨界轉速試驗值及裕度

從表4可知：模擬低壓轉子的前3階臨界轉速相對于額定工作轉速的預度均在25%以上，滿足設計準則[3]對臨界轉速的要求，轉子的臨界轉速設計合理。

利用表3和表4中的數據對臨界轉速的計算誤差進行分析，結果見表5。

表5 計算誤差

計算誤差定義為

從表5可知：模擬低壓轉子第1～3階臨界轉速的計算誤差分別為（15.77～21.33）%、9.67%和（2.18～7.28）%，高階臨界轉速的計算誤差相對較小。事實上，如考慮到試驗轉子的實際狀態很難與計算條件完全一致以及開車加速度與測量誤差的影響，計算值和試驗值總體來說比較一致，此外，轉子在臨界轉速下發生了明顯的彎曲變形也與計算出的振型相吻合，說明計算模型能真實地反映出轉子的動力特性。

5 結論

本文建立了對轉發動機模擬低壓轉子的有限元計算模型，計算得到了轉子的前4階臨界轉速值和前4階振型圖，并在高速旋轉試驗器上完成了全轉速范圍內的動力特性試驗。研究結果表明：

（1）模擬低壓轉子在額定工作轉速范圍內存在3階臨界轉速，并且各階臨界轉速相對于額定工作轉速的裕度均滿足設計準則的要求，轉子的臨界轉速設計合理。

（2）模擬低壓轉子的各階振型均為彎曲振型，沒有真正意義上的剛體模態，是1個十分典型的帶柔性軸的柔性轉子。

（3）建立的計算模型經試驗驗證能反映出轉子的真實狀況。

[1]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊（第1卷）:結構鋼不銹鋼[M].北京：中國標準出版社，2001.

[2]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊（第2卷）:變形高溫合金、鑄造高溫合金[M].北京：中國標準出版社，2001.

[3]航空發動機設計手冊總編委會.航空發動機設計手冊(第19冊):轉子動力學及整機振動[M].北京:航空工業出版社，2001.