某航空發動機整體葉盤耦合振動特性分析

孫浩琳，吳婭輝，朱振宇

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

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某航空發動機整體葉盤耦合振動特性分析

孫浩琳，吳婭輝，朱振宇

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

摘要：通過建立某航空發動機整體葉盤的三維實體模型，對整體葉盤結構的耦合振動特性進行了固有模態特性分析。根據有限元軟件ANSYS的計算結果，繪制了葉片共振轉速Campbell圖，分析了整體葉盤結構模態振動的基本特性，得到了整體葉盤節徑-頻率圖，分析的結果為進一步研究整體葉盤的結構設計優化和避免共振提供了依據。

關鍵詞：整體葉盤；耦合振動；固有模態；有限元；共振特性

0引言

航空發動機是一種結構復雜的高速旋轉機械，發動機整機振動是全方位周期振動和復雜隨機振動的復合，是多種影響因素共同作用的結果，這些特性決定了發動機振動測量的復雜性。現代航空發動機葉盤結構的輕量化和高轉速，使得其整體葉盤的結構形式得到了越來越廣泛的應用，因此研究這種整體葉盤耦合振動的分析理論和振動特性，對于航空發動機結構完整性檢測、葉盤振動測量和故障監測具有重要的指導意義。

長期以來，對于非整體的葉盤結構，葉片和輪盤之間是采用“榫頭“結構進行連接的，輪盤的剛度很大。葉片進行振動特性分析時，可將葉片視為根部“固支”的懸臂結構，應用Campbell圖對其進行振動設計[1]。但是對于整體葉盤的結構形式，輪盤的設計相對于非整體的葉盤而言，剛度要求就沒有那么大，葉片和輪盤間的耦合關系較強，因此對葉片和輪盤進行振動特性分析時，需將其作為一個整體結構進行分析。但是，在針對葉片-輪盤整體結構形式進行耦合振動分析以及振動設計、振動評價等方面，仍然沒有成熟、系統的分析理論和設計計算規范，仍需要對其進行深入、系統的分析研究。

理論上的整體葉盤在結構上具有旋轉對稱的特點，可以采用單扇區進行建模、分析計算[2]。但實際上，由于制造的精度誤差，加工材料質量分布不均勻以及使用中葉盤的磨損等因素，輪盤上葉片的幾何分布和物理特性會有微小的差異，這種有差異的結構會導致某些葉片的振動幅值比理論上大得多。

本文主要采用循環對稱結構的有限元分析方法，對整體葉盤結構的分析模型、基本特性以及耦合結構振動等相關問題進行研究。

1基于有限元模型的耦合振動分析

由于葉片-輪盤結構比較復雜，直接ANSYS中建立某航空發動機典型葉盤結構模型很困難，所以在Pro/E三維建模軟件中建立葉盤的完整實體模型，然后導入ANSYS中，如圖1所示。

該葉盤上設計有呈圓周分布的29個葉片，根據波動分析原理，在對葉片進行有限元分析時，取一個葉片-輪盤扇區作為計算區域，通過對該葉片扇區進行振動模態分析可知，當葉片受到激振力之后，產生的振動主要有彎曲振動、扭轉振動和彎扭復合振動這三種形式。對于典型葉盤結構，計算葉片在根部固結的振動頻率，得到的葉片共振轉速Campbell圖如圖2所示。

圖2　葉片共振轉速Campbell圖

由葉片共振轉速圖可以看出，葉片共振時的固有頻率與工作轉速相差較大，葉片工作時出現共振的可能性不大。針對葉片在不同階數下的彎扭變形，在設計過程中應盡量采取抗彎扭措施，減小因葉片變形造成的性能損壞。

由于輪盤的結構是軸對稱的，與葉片相比，輪盤的固有頻率要高得多，因此輪盤的高階模態振動對整體葉盤系統的耦合振動基本沒有影響[3]，所以本文僅列出了輪盤的前幾階振動模態形式，如圖3所示。由于該輪盤結構的支撐輻板剛度較弱，出現輪盤的零階彎曲剛度比其二、一階彎曲剛度大的情況，因此輪盤的模態次序根據固有頻率從小到大的順序為二節徑、一節徑、傘形扭動、三節徑等振動形式。

(a) 輪盤二節徑模態

(b) 輪盤一節徑模態

(c) 輪盤傘形扭動模態

(d) 輪盤三節徑模態

2整體葉盤固有頻率和振型

ANSYS有限元分析的結果如圖4所示，不僅葉片和輪盤會出現振動，還出現了盤片的耦合振動，而且呈節徑振動形式。由于輪盤影響程度不一樣，圖4(c)和圖4(d)雖然振型一樣，但振動頻率不一樣。

(a) 葉盤整體網格模型

(b) 葉盤二節徑振動模態

(c) 葉盤傘形(0節徑)振動模態

(d) 葉盤傘形(0節徑)振動模態

由計算結果可知：

1)整體葉盤耦合振動主要以葉片振動為主，且葉片各階振動的形式、出現的順序都與單扇區葉片相同。由于輪盤彈性的影響，頻率比單葉片根部固支的同階要低。如根部固支的單葉片基頻為2014.4 Hz，葉盤耦合振動的第一階彎曲頻率僅為1920.4 Hz，如圖4(b)所示。所以，輪盤剛度對葉盤結構固有頻率有一定影響。

2)整體葉盤結構有著比較明顯的節圓和節徑振動的特征，節徑數與葉盤的扇區數有關，葉盤為周期對稱結構，故葉盤節徑數是固定的。當葉片受到激振力達到共振時，所有的葉片的振動形式是一樣的，在葉輪緣上出現沿圓周均勻分布的節點。由于該整體葉盤有29個葉片，故節點數目從0遞增到28。即周期對稱結構的節徑數是固定的，扇區數決定節徑數。

3)靠近節點附近的葉片振幅最小，葉片振幅最大處發生在節點之間，距離節點越遠，葉片振幅越大，振動劇烈。共振發生時，可能出現少數葉片因共振而損壞。

3耦合振動節徑頻率圖

整體葉盤的振動特性可以用其節徑-頻率圖進行描述。對于該典型葉盤結構，計算整體葉盤結構的振動頻率，得到相應的整體葉盤的節徑-頻率圖，如圖5所示。

圖5　整體葉盤節徑-頻率圖

可以看出，整體葉盤結構振動模態頻率主要特點有：①由于各節徑均存在葉片的多階模態頻率，因此整體葉盤結構的模態頻率更加密集；②輪盤的各節徑均會出現一族模態頻率，因此密集的整體葉盤結構模態頻率呈“族”出現；③葉盤結構振動模態所表現的主

要形式包括葉片主導型模態，輪盤主導型模態和葉片輪盤組合主導型模態。

對于葉片主導振型，在節徑-頻率圖中可以看到斜線近似水平，葉盤結構以葉片振型位移為主要振動形式；輪盤主導振型則是以輪盤的振動位移為主，隨著節徑數的增加，輪盤波數增大，節徑-頻率圖中出現斜率較大的斜線；而葉片和輪盤同時具有較大模態振動時，葉盤結構振動表現出的形式則是葉片輪盤組合主導振型。

4共振分析時需要考慮的幾個問題

一般來說，對整體葉盤結構進行共振特性分析的方法主要是對葉片和輪盤分別進行共振分析，并從如何減少共振的角度進行葉片和輪盤的振動設計[3-4]。但根據本文分析，在進行整體葉盤結構的耦合振動分析過程中，需進一步考慮以下因素：①由于整體葉盤結構的模態按節徑分“族”，其模態頻率呈“帶”分布，因此，避開共振問題應是避免與該“族”的各階模態頻率產生共振；②由于模態密集，難以真正避開與所有模態頻率產生共振的情況，實際上在很多情況下，可能達不到避開共振的要求，因此主要研究如何避開若干關鍵階模態頻率的共振問題；③由于葉片與輪盤之間不存在榫接的摩擦阻尼等，整體葉盤結構的阻尼更小，因此研究其結構的共振特性時需進行更加仔細的分析和試驗。

5總結

本文主要采用循環對稱結構的有限元分析方法，對整體葉盤結構的分析涉及兩個方面的內容：①基于有限元模型的實際葉盤結構耦合振動的固有模態特性分析，包括分析模型、葉片和輪盤的固有模態、整體葉盤結構固有模態特性等，并對典型整體葉盤進行了計算和分析；②在相關分析的基礎上，討論了整體葉盤結構振動模態與共振特性問題等，為實際工作整體葉盤耦合振動的預測與分析提供了依據。

參考文獻

[1] 王春潔，宋順廣，宗曉.壓氣機中葉片輪盤耦合結構振動分析[J] .航空動力學報，2007，22(7)：1065-1068.

[2] Lazarus A，Prabel B，Combescure D.A 3D finite element model for the vibration analysis of asymmetric rotating machines[J] .Journal of Sound and Vibration，2010，329(18)：3780-3797.

[3] 范志強，馬枚，王榮橋.航空發動機整體葉盤優化設計[J] .燃氣渦輪試驗與研究，2000，13(4)：27-30.

[4] 李炳濤，張莉莉，魯銳.基于ANSYS的故障渦輪振動性能分析[J] .機械工程與自動化，2008(6)：115-117.

Coupling Vibration Characteristics Analysis of Holistic Bladed Disk

SUN Haolin，WU Yahui，ZHU Zhenyu

(Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：A 3-D entity model of aero-engine holistic bladed disk is established and the natural model of vibration is analysed to the coupling vibration characteristics.According to the calculations of the FEA software of ANSYS，we get the resonance speed Campbell figure of the blade，analyse the basic characteristics of structure model vibration and get the pitch-frequency figure of holistic bladed disk.The results supply the reliable assurance for further studies on the structure optimization design and avoidance of resonating of the bladed disk.

Key words：holistic bladed disk；coupling vibration；natural model；finite element；resonance characteristics

作者簡介：孫浩琳(1989-)，男，碩士研究生，主要研究發動機葉尖間隙檢測與校準。

基金項目：中國航空工業集團公司技術創新基金(2013F30441R)

收稿日期：2015-08-24

中圖分類號：TB53；V232.3

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)05-0028-03

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.06