某型渦軸發(fā)動機整機振動特性分析

摘要：渦軸航空發(fā)動機整機振動使發(fā)動機結(jié)構(gòu)受到巨大的振動應(yīng)力，對航空發(fā)動機的工作狀態(tài)、航空發(fā)動機附件及相關(guān)儀表的工作狀態(tài)造成諸多影響，會降低航空發(fā)動機的可靠性。本文針對某型渦輪軸航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點，進行整機振動特性分析，對轉(zhuǎn)子與機匣進行固有特性分析。對轉(zhuǎn)子支承、轉(zhuǎn)子葉片及靜子葉片進行計算模型簡化處理;分析轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、固有模態(tài)，并計算工作轉(zhuǎn)速相對于臨界轉(zhuǎn)速的裕度;分析機匣固有模態(tài)。分析應(yīng)急、起飛和額定工況下的發(fā)動機整機振動特性。對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性進行諧響應(yīng)和譜分析，模擬轉(zhuǎn)子不平衡故障，對整機振動進行譜分析，解釋振動原因。

關(guān)鍵詞：渦輪軸發(fā)動機;整機振動;有限元;振動頻譜圖

中圖分類號：V231

航空發(fā)動機可靠性指標不僅受振動應(yīng)力影響，也與航空發(fā)動機本身、相關(guān)附件及各航空儀表的工作狀態(tài)有關(guān)，航空發(fā)動機整機振動對上述指標有不利影響。當前，速度性能較為突出的軍用機型與普通民用機型都頻繁發(fā)生振動故障，大批航空發(fā)動機提前返廠，既損害航空發(fā)動機在實際應(yīng)用中的經(jīng)濟性能，又縮短預(yù)期壽命。本文對某型渦輪軸航空發(fā)動機進行整機振動特性分析，因?qū)嶋H系統(tǒng)較為復(fù)雜，直接分析困難，本文將建立簡化后的發(fā)動機“機匣—轉(zhuǎn)子”系統(tǒng)有限元模型;其次，計算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速;最后，從整機出發(fā)，計算整個“機匣—轉(zhuǎn)子”系統(tǒng)的振動特性，分析轉(zhuǎn)子不平衡故障對系統(tǒng)振動特性的影響。

一、整機CAD建模概述

渦輪軸發(fā)動機由單轉(zhuǎn)子混合式壓氣機、折流式環(huán)形燃燒室、2級軸流反應(yīng)式渦輪、1級軸流式自由渦輪、減速器和簡易的非收縮式排氣裝置等部件組成，其工作系統(tǒng)分為液壓機械式燃油控制系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、起動系統(tǒng)等?；谵D(zhuǎn)子典型結(jié)構(gòu)建模與靜子典型結(jié)構(gòu)建立簡化后的三維模型如下。

二、計算模型處理

1.轉(zhuǎn)子支承處理

航空燃氣渦輪發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由渦輪轉(zhuǎn)子、壓氣機轉(zhuǎn)子及聯(lián)接轉(zhuǎn)子的組件構(gòu)成。一方面，支承結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)子支承在發(fā)動機機匣特定位置;另一方面，支承結(jié)構(gòu)也承受轉(zhuǎn)子上的負荷（氣體軸向力、重力、慣性力以及慣性力矩等）并傳動到機匣。最后，發(fā)動機的安裝節(jié)將負荷傳導(dǎo)至飛機結(jié)構(gòu)上。

整機模型采用5個支承結(jié)構(gòu)，均為滾動軸承。查閱相關(guān)文獻，計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時可將彈性支承與機匣的組合系統(tǒng)簡化為兩個串聯(lián)的彈簧，由彈性支承與機匣支承共同影響的組合剛度為：

是通過對機匣進行剛性分析得出的。本文在計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時，從適當?shù)臄?shù)量級中選取4組軸承組合剛度值。

2.轉(zhuǎn)子葉片處理

轉(zhuǎn)子葉片是渦輪和壓氣機實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的主要零件，在航空發(fā)動機正常工作時承受較大的負荷。由于已知葉片參數(shù)較少，基于UG軟件構(gòu)建葉片三維模型的可行性不高，故通過輕微抬升輪轂高度等效模擬轉(zhuǎn)子葉片。

3.靜子葉片處理

壓氣機靜子葉片與自由渦輪靜子葉片采用剛性質(zhì)量塊代替，為確保靜子葉片質(zhì)量取值的合理性與科學(xué)性，特前往南京航空航天館實測。從左到右，質(zhì)量依次為：255g，235g，215g，195g，175g，155g，135g，115g，95g，75g，55g，320g，625g.

4.轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算分析

對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行動力特性分析應(yīng)構(gòu)建簡化后的三維立體模型，并用有限元方法計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。查閱相關(guān)文獻可知：用 ANSYS軟件計算“轉(zhuǎn)子—支承”系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速時，基于一維模型求解臨界轉(zhuǎn)速與基于立體模型求解的結(jié)果約有5%的相對誤差，后者精度更高。故本文基于立體有限元模型求解轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。用ANSYS軟件分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)并得出其固有頻率，計算系統(tǒng)受同步力時的臨界轉(zhuǎn)速。在陀螺效應(yīng)下，反進動固有頻率會隨著轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度的增加而降低，正進動固有頻率反之。本文只分析正進動固有頻率。

基于三維模型進行初步分析工作。具體的：首先計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速，通過對比四組不同軸承剛度值下的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速隨軸承剛度值的增加而提高。在完成轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算后，對轉(zhuǎn)子與機匣應(yīng)用模態(tài)分析，得出轉(zhuǎn)子與機匣的前十階固有頻率并分析前六階振型，為諧響應(yīng)分析和譜分析奠定基礎(chǔ)。

三、不同工況下的整機振動分析

1.計算工況

本文主要研究的工況包括表中所列出的速度值，共分為應(yīng)急、起飛、額定三種工況。

2.轉(zhuǎn)子不平衡故障下的整機振動分析

（1）轉(zhuǎn)子不平衡故障的模擬方法

在轉(zhuǎn)子軸上非軸承安裝處施加一個0.08g的剛性質(zhì)量塊，制造轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡故障?，F(xiàn)將自由渦輪系統(tǒng)、壓氣機—燃氣渦輪系統(tǒng)和機匣的分析結(jié)果整理如下：

（2）不平衡故障下的整機振動分析結(jié)果

0.08g不平衡量下的轉(zhuǎn)子諧響應(yīng)分析結(jié)果：

0.08g不平衡量下的軸承處振動分析結(jié)果：

如圖3-2所示，1號軸承頻率響應(yīng)曲線圖中，峰值點的出現(xiàn)并非由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率引起，而是其工作轉(zhuǎn)速導(dǎo)致;2號軸承頻率響應(yīng)曲線圖中，峰值點既不是由工作轉(zhuǎn)速引起，也不是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率導(dǎo)致。應(yīng)該是由其他因素導(dǎo)致;3號軸承頻率響應(yīng)曲線圖中，峰值點主要是由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率導(dǎo)致;4號軸承頻率響應(yīng)曲線圖中，峰值點既不是由工作轉(zhuǎn)速引起，也不是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率導(dǎo)致。應(yīng)該是由其他因素導(dǎo)致;5號軸承頻率響應(yīng)曲線圖中，峰值點既不是由工作轉(zhuǎn)速引起，也不是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率導(dǎo)致。應(yīng)該是由其他因素導(dǎo)致。

0.08g不平衡量下機匣諧響應(yīng)分析結(jié)果：

0.08g不平衡量下機匣對應(yīng)位置處的頻率響應(yīng)曲線：

綜上，機匣諧響應(yīng)分析的譜圖與所施加周期激勵頻率并無直接聯(lián)系。主要是同時考慮五個軸承處的激勵及不平衡故障時，單一激勵的效果被整體耦合效應(yīng)弱化。

四、工作總結(jié)

本工作主要可分成前期建模和后期計算分析兩大部分：由于原始圖紙信息不完整，在建模工作的開端遇到了較多的困難，最終，在對原模型進行了較大簡化的基礎(chǔ)下完成了整機的平面CAD圖。由于圖形較為復(fù)雜，在CAD中生成面域時，前后經(jīng)過了多次修改、嘗試。后期工作中，面對如何將機匣部分的振動特性與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性合并分析得出整機振動特性的難題時，曾一度缺乏明確的研究思路。經(jīng)過查閱文獻，最終擬定了相對完善、科學(xué)的研究方案。

五、展望

一方面，由于大量結(jié)構(gòu)參數(shù)未知，對所建模型的準確程度造成了一定的影響;另一方面，由于時間有限所建立的模型做了大量的簡化，包括燃燒室在內(nèi)的一部分重要組件沒有被考慮進去。如果有詳實的參數(shù)，相信可以優(yōu)化三維有限元模型。此外，在后續(xù)計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速的過程中，軸承剛度的取值實在查閱大量相關(guān)文獻后自主選取的4組合理數(shù)值，而非實際測算量。希望今后有機會展開動、靜剛度的計算與分析工作，使整機分析的結(jié)果更具有適用性。

參考文獻

[1]傅志方.模態(tài)分析技術(shù)在航空發(fā)動機振動故障分析中的應(yīng)用[C]. .第四屆全國振動理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集，河南鄭州，1990：541～548.

[2]R. Gasch： Vibration of Large Turbo-Rotors in Fluid-Film Bearing on An Elastic Foundation[J]. J.of Sound and Vib.1976，47（1）：53～73.

[3]任興明.航空發(fā)動機整機動力特性分析方法研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)，1999.

[4]孟光.轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究的回顧與展望[J].振動工程學(xué)報，2002，15（1）：1 ～9.

[5]李津，槐創(chuàng)鋒.ANSYS 15.0有限元分析自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2015，10.

[6]常利輝.超導(dǎo)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的固有振動分析[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2015.[19]梁炳南.燃氣輪機機匣建模及模態(tài)分析[D].大連：大連海事大學(xué)，2009.

作者簡介：劉程文青，1994年1月3日，助理工程師

（中國航空工業(yè)集團公司上海航空測控技術(shù)研究所 上海 201601）