試驗連接結構對航空發動機轉子系統動力特性的影響分析

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動機轉子系統動力特性的影響。結果表明：連接結構對轉子系統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：航空發動;連接結構;轉子系統;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

航空發動機的整機振動對發動機的研制、工作可靠性和壽命等產生直接的影響[1]。統計表明航空發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——支承系統的振動和穩定性直接影響著發動機的整機振動水平。因此，對轉子——支承系統的動力特性進行研究和改進，是減小發動機整機振動行之有效的方法。

影響轉子系統動力特性的因素很多。彈性支承的動力特性參數，直接影響轉子系統的動力特性以及整臺發動機的振動水平[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之間的擠壓油膜，對整個轉子系統可以起到較好的減振效果[6-9];試驗研究時轉子系統與試驗臺之間的連接結構也對轉子系統的動力特性產生不可忽略的影響[10]。

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

1 轉子系統簡介

某型航空發動機轉子系統主要由軸流葉輪、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（連接結構），以及使用不同材料對轉子系統動力學特性的影響，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，轉子系統的動力特性計算結果見表1;有無連接結構轉子系統的振型基本一致，本文僅給出有連接結構轉子系統的振型圖，如圖4～圖6所示。

分析圖4～圖6可知，轉子系統一階振型為平動，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]，由于轉子系統工作時不在此轉速范圍內長時間停留，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，在做好振動監測的前提下，可以進行相關轉子系統動力特性試驗。

仿真計算結果為后續的轉子系統動力特性試驗提供了設計參考和依據。

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，參數測試精度高等優點。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，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有明顯的振動增大現象，且出現多個振動尖峰，而采用鈦合金材料連接結構的轉子系統，振動位移幅值較小且變化比較平穩，未出現明顯振動尖峰。

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。采用不銹鋼連接結構的轉子系統，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。

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.彈性環式擠壓油膜阻尼器動力特性研究[D].沈陽：沈陽航空工業學院，2009.

[3] 黃太平.彈性支承與轉子之間參數匹配分析[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].航空發動機，2008，34（1）：23-27.

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

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[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，2000.