張海波, 王奇丹, 劉 意, 劉 恒, 戚社苗
(1. 武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064; 2.西安交通大學 潤滑理論及軸承研究所,西安 710049; 3. 西安交通大學 現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室,西安 710049)
盤式拉桿組合轉(zhuǎn)子是重型燃氣輪機、航空發(fā)動機等動力裝備的核心部件,周向拉桿轉(zhuǎn)子是是其中較為常見的組合式拉桿轉(zhuǎn)子[1],各輪盤通過拉桿預(yù)緊力組合而成。為了確保轉(zhuǎn)子具有令人滿意的旋轉(zhuǎn)精度,所有輪盤必須具有足夠精度的同軸度公差。因此,對這些輪盤的對中缺陷控制非常嚴格。
例如,從圖1中可以看出M701F燃氣輪機的壓縮機轉(zhuǎn)子具有17個輪盤,其同軸度由徑向定位表面保證。其中:‘○A ’為加工基準面;‘◎’為同軸度公差;‘Φ’為直徑。不難看出,輪盤12的徑向定位表面的同軸度公差設(shè)計為10 μm,所有其他輪盤都具有與其一樣的公差。因此,輪盤的對中缺陷應(yīng)該小于這個值。
這一精度要求明顯要高于對應(yīng)的整體鍛造的汽輪機轉(zhuǎn)子。為什么拉桿轉(zhuǎn)子對輪盤的同軸度公差要求更高。如果目前的對中缺陷超過其設(shè)計值,是否有一種行之有效的方法來減少其對轉(zhuǎn)子動態(tài)特性的不利影響。目前國內(nèi)外對拉桿組合式轉(zhuǎn)子的研究,多集中于拉桿預(yù)緊力的選取原則及對轉(zhuǎn)子動力學特性的影響[2-3],較少涉及缺陷對轉(zhuǎn)子動力學特性的影響。本文將從三維轉(zhuǎn)子動力學的角度研究這些問題[4]。為了獲得準確的結(jié)果,需要建立具有對中缺陷的三維拉桿轉(zhuǎn)子模型。傳統(tǒng)的模型,如剛性轉(zhuǎn)子模型[5]和柔性轉(zhuǎn)子模型[6-9]對于研究轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性非常重要。然而,這些簡化模型的假設(shè)非常理想化,忽略了許多結(jié)構(gòu)細節(jié),例如凹槽,凸臺以及缺陷等。為此,本文提出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的三維有限元建模[10]。
除此以外,還應(yīng)該對拉桿轉(zhuǎn)子進行靜動聯(lián)合分析,因為拉桿具有較大的預(yù)緊力,當存在對中缺陷時,拉桿非均勻的大變形可能對造成轉(zhuǎn)子的不平衡。

圖1 M701F燃氣輪機中的壓縮機轉(zhuǎn)子和輪盤12的同軸度公差(mm)Fig.1 Compressor rotor in M701F gas turbine rotor and centration tolerance in the 12st disk (mm)
本文在拉桿轉(zhuǎn)子模型中加入了輪盤的對中缺陷,通過考慮表面接觸的3D 有限元分析方法獲得了其靜力學特性[11-12]。在考慮動態(tài)平衡的情況下,使用牛頓迭代法及其預(yù)測校正方法[13-14]研究了含缺陷轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性和振動特性。本文對比了拉桿轉(zhuǎn)子和整體轉(zhuǎn)子之間的渦動及對中缺陷所造成的影響,還提出了拉桿非均勻預(yù)緊方法以減少對中缺陷對轉(zhuǎn)子平衡的不利影響。
圖2是一個典型的拉桿轉(zhuǎn)子,具有M701F燃氣輪機中壓縮機轉(zhuǎn)子的基本結(jié)構(gòu)特征。該轉(zhuǎn)子并不是一根連續(xù)的軸,而是由三個輪盤通過其徑向定位面配合組裝而成,最后由12根軸對稱排列的拉桿預(yù)緊固定。其中每個拉桿都具有相同的直徑和預(yù)緊力。軸向裝配表面確保了三個輪盤之間具有足夠的接觸緊密度,徑向定位表面則保證了拉桿轉(zhuǎn)子具有令人滿意的同軸度公差。
首先,拉桿轉(zhuǎn)子需要通過垂直組裝以避免重力影響,并且拉桿與輪盤的徑向孔需要緊密接觸。組裝完后,用兩個圓柱軸承支撐使轉(zhuǎn)子水平放置,然后將其加速到7 500 r/min并保持此速度工作。軸承的內(nèi)圈半徑R、寬度B和徑向間隙c0分別為40 mm,80 mm和0.2 mm,潤滑油的黏度μ為0.018 2 Pa·s。

圖2 典型的拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(mm)Fig.2 Structure of classic bolt-disk rotor system(mm)
輪盤的對中缺陷如圖3所示。中間輪盤包含左凹槽和右凸起結(jié)構(gòu),由于加工精度不足,輪盤‘b’的Ω1部分的中心孔軸線從設(shè)計中心O偏離至實際中心O1。O和O1之間的偏差距離即中心孔同軸度偏差為10 μm。本文假設(shè)輪盤‘b’的另一部分Ω2在制造中不存在明顯缺陷。此外,另外兩個輪盤也假設(shè)不存在加工缺陷。
為了使裝配完成后轉(zhuǎn)子能達到足夠的旋轉(zhuǎn)精度,徑向定位表面的組裝精度要求非常高。而實際操作中由于輪盤‘b’和另外兩個輪盤之間產(chǎn)生了未對準現(xiàn)象(10 μm),拉桿轉(zhuǎn)子便產(chǎn)生了對中缺陷。
除徑向定位表面之外,該轉(zhuǎn)子中還存在其他三種類型的接觸表面:①輪盤與輪盤之間的接觸表面;②拉桿的端面與輪盤之間的接觸表面;③拉桿表面和輪盤徑向孔之間的接觸表面。

圖3 對中缺陷示意圖Fig.3 Description of centration defect
輪盤‘b’的靜態(tài)模型由存在加工缺陷的Ω1和不存在加工缺陷的Ω2兩部分組成。考慮到徑向定位面的偏差距離l,將含缺陷拉桿轉(zhuǎn)子的剛度矩陣寫為
(1)
式中,B,D和L分別為幾何矩陣、彈性矩陣和坐標變換矩陣。
采用8節(jié)點單元對含缺陷的輪盤‘b’'劃分網(wǎng)格,劃分后的3D模型如圖4所示。為了使缺陷顯示的更加明顯,偏差距離在圖4(a)中被放大了800倍。最終,含缺陷的拉桿轉(zhuǎn)子3D模型總共由26 592個單元組成。

圖4 拉桿轉(zhuǎn)子盤間對中缺陷的靜態(tài)模型Fig.4 Static model of bolt-disk rotor with centration defect among disks
除了軸、輪盤以及拉桿這些零件外,接觸面也必須包含在3D靜態(tài)模型中。對于接觸表面來說,他們的共享邊界具有接觸約束h,包括法向分量hn和切向分量ht。

(2)
式中:第一個公式意味著兩個接觸面不能相互穿透;第二個表明法向接觸力pn總是壓力而不是拉力;第三個是補充條件,表明如果pn=0,εn>0,則兩個表面處于分開狀態(tài);如果pn≤0,εn=0,則兩個表面處于接觸狀態(tài)。
在切向接觸約束ht,中,εt是兩個接觸面之間的相對切向位移;pt是摩擦力。則ht可以寫為
(3)
式中:兩個方程分別表示靜摩擦和動摩擦的條件;μ為摩擦因數(shù)。
對于含缺陷的拉桿轉(zhuǎn)子,包含接觸勢能的總勢能Π被描述為
(4)
式中:u為位移矢量;F為靜力矢量,包括重力、預(yù)緊力和離心力(由于轉(zhuǎn)速ω引起);S是由于接觸作用而產(chǎn)生的勢能。
S由懲罰因子Λ和拉格朗日乘子η描述如下
(5)
在完成泰勒展開并只保留一階項之后,可以將接觸約束函數(shù)h寫為
(6)
聯(lián)立解式(4)~式(6),當?Π(u,η)/?u=0,可以得到含缺陷的拉桿轉(zhuǎn)子的三維靜力方程
(7)
式中:KΛ=HTΛH;FΛ=HTΛh0。
由于約束條件會隨著接觸狀態(tài)不斷變化,求解上述靜態(tài)方程需要使用增量迭代法。
本文通過靜力學計算結(jié)果將含缺陷轉(zhuǎn)子與無缺陷轉(zhuǎn)子進行比較。 如圖5所示,含缺陷轉(zhuǎn)子上拉桿存在不均勻的應(yīng)力分布和彎曲變形(以4號拉桿為例),而無缺陷轉(zhuǎn)子上相應(yīng)拉桿在其拉伸區(qū)域具有均勻的應(yīng)力分布。這是因為當輪盤‘b’的Ω1部分存在偏差時,徑向孔具有向上的位移導(dǎo)致孔的表面被拉桿壓緊。

圖5 無缺陷和含缺陷轉(zhuǎn)子中4號拉桿的應(yīng)力和變形(MPa)Fig.5 Stress and deformation of No.4 bolt in both perfect and defective rotors(MPa)
同時如圖6所示,兩個轉(zhuǎn)子上拉桿和輪盤中心孔之間的接觸表面狀態(tài)表明,含缺陷的轉(zhuǎn)子上拉桿的接觸面積明顯較大。對于無缺陷轉(zhuǎn)子,由于離心力的作用,拉桿將與輪盤接觸。而對于含缺陷的轉(zhuǎn)子,除了離心力作用外,一些拉桿由于輪盤‘b’上Ω1部分的偏差而被擠壓產(chǎn)生額外應(yīng)力。

圖6 無缺陷和含缺陷轉(zhuǎn)子中4號拉桿表面的接觸狀態(tài)Fig.6 Contact status of No.4 bolt surfaces in both perfect and defective rotors
最終結(jié)果如圖7所示,拉桿變形將導(dǎo)致含缺陷輪盤的軸向節(jié)點偏移Sb。節(jié)點‘b’位于輪盤‘b’的軸中心,在裝配過程中,Sb=0.27 μm,徑向定位面偏離導(dǎo)致的質(zhì)心偏心e=9.22 μm。當轉(zhuǎn)子加速時,Sb不斷增大并大致遵循指數(shù)曲線。在7 500 r/min時,Sb已經(jīng)達到3.39 μm。
另一方面,無缺陷輪盤的Sb和e幾乎接近于零。 這證明了此模型的計算精度完全足以分析微米數(shù)量級的對中缺陷靜態(tài)特性。

圖7 含缺陷輪盤的軸向節(jié)點位移SbFig.7 Axis-node shift Sb of defective disk
同時也可以觀察到:在裝配過程中,e和Sb一個增大一個減小;而在加速過程中,e和Sb的變化方向是一樣的。
這個現(xiàn)象在圖3中可以找到原因。輪盤‘b’與輪盤‘a(chǎn)’和輪盤‘c’相比具有原始向下位移。所以e的方向也是向下的。但是,由于拉桿與徑向孔之間需要緊密接觸,一些拉桿彎曲變形將輪盤‘b’垂直向上壓,因此Sb也向上移動。最終,e和Sb在組裝過程中就具有了不同的變化方向。
然而,由于Sb(0.27 μm)遠小于e(9.22 μm),整個轉(zhuǎn)子的總不平衡方向與轉(zhuǎn)子加速后的e相同。因此,在加速過程中,Sb的方向?qū)⒆兊门ce相同。最終,軸向節(jié)點位移Sb使拉桿轉(zhuǎn)子彎曲為rb=(S1,…,Sb,…,Sk),其中k為軸向節(jié)點的總數(shù)。
如圖8所示,在裝配過程中,轉(zhuǎn)子存在初始彎曲,且在升速后,離心力作用加大,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲rb進一步增大。

圖8 由于軸節(jié)點偏移Sb導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子彎曲rbFig.8 Rotor bow rb due to axis-node shift Sb
由于拉桿轉(zhuǎn)子中具有包括質(zhì)心偏心率e和轉(zhuǎn)子彎曲rb在內(nèi)的不平衡分量,所以3D含缺陷拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學方程應(yīng)該把e和rb考慮在內(nèi)。
由于動力學方程的維數(shù)對于3D轉(zhuǎn)子系統(tǒng)來說非常巨大,因此應(yīng)該減掉大部分線性自由度并保留所有的非線性自由度。非線性力作用在非線性自由度上面。 則動力學方程可分為線性和非線性兩部分
(8)
式中:下標a和i分別為非線性和線性自由度;g為重力加速度常矢量;MR為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量矩陣;GR為轉(zhuǎn)子的陀螺矩陣;fo為油膜力向量。
fo是基于有限差分法計算的[15]。其中圓柱滾子軸承表面被離散化為許多點,總油膜力被認為是每個離散點處流體動壓p0的總和, 而p0由雷諾方程確定
(9)
式中:θ為位置角;hp為油膜的厚度。
此外,引入變換矩陣P來減少原始動力學方程的線性自由度[16],則3D含缺陷拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的簡化方程被重寫為
(10)
式中:q=Pu;M0=PTMRP;G0=PTGRP;K0=PTKRP;Q0=PT(KRrb+meω2+g+fo)。
最后,系統(tǒng)總共剩余27個自由度,包括輪盤上具有非線性不平衡力的3個節(jié)點自由度、軸承上具有非線性油膜力的2個節(jié)點自由度及12個線性本征模。
為了同時獲得位移和速度,引入狀態(tài)參數(shù)X
(11)

由于e和rb在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時滿足周期特征,所以式(11)的解由式(12)確定
(12)
式中,T為旋轉(zhuǎn)周期。
當λ等于常數(shù)λ0時,根據(jù)非線性定義,可以將式(10)轉(zhuǎn)換為求解式(13)的周期解Xt
H(λ0,X)=X(t+T)-X(t)=0
(13)
這里使用牛頓迭代方法逼近Xt。在對式(13)進行一階泰勒展開之后,H(λ0,X)可由初始值X0和雅可比矩陣?H/?X0描述
(14)
將式(14)代入式(13),可基于以下牛頓迭代格式求解X
(15)
式中,?H/?X0是由式(16)通過基于初始值I在一個周期內(nèi)進行積分獲得
(16)
當λ改變時, 式(13)被重寫為H(λ,X)=0。如果得出λ=λn時第n步迭代后的迭代解Xn,則可代入式(17)計算第n+1步的迭代解。
(17)
式中,?H(λ,X)/?λ通過式(18)的積分計算得到
(18)
式中:(?X/?λ)t0=0;(?X/?λ)(t0+T)=?H(λ,X)/?λ。
以式(19)的校正迭代而結(jié)束,該迭代基于式(15)來求解Xn+1。
(19)
本文還研究了在具有相同尺寸下,含缺陷拉桿轉(zhuǎn)子與含缺陷整體轉(zhuǎn)子之間的特征異同。 整體轉(zhuǎn)子沒有預(yù)緊力,且拉桿轉(zhuǎn)子上所有的接觸面對整體轉(zhuǎn)子而言都是固結(jié)的,加工缺陷只會導(dǎo)致其質(zhì)心偏心。

含缺陷的拉桿轉(zhuǎn)子和整體轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域可以類似地分為穩(wěn)定的T-周期區(qū)域,2T-周期區(qū)域和準周期區(qū)域。

圖9 兩種含缺陷轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性特征.Fig.9 Stability features for both defective rotor systems
此外還可以觀察到,拉桿轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定T周期區(qū)域遠小于整體轉(zhuǎn)子的T周期區(qū)域。這表明由于對中缺陷導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子彎曲降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 而且,隨著轉(zhuǎn)速的增加,穩(wěn)定面積大小相差更大。 因為隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω不斷上升,拉桿轉(zhuǎn)子的彎曲變形量rb由于離心力作用不斷增大。
如圖10(a)所示,兩種含缺陷的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性表明兩種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界速度ωcr都等于4 800 r/min,但拉桿轉(zhuǎn)子的振幅大于整體轉(zhuǎn)子的振幅。 所以,轉(zhuǎn)子彎曲變形量幾乎不會影響系統(tǒng)總剛度,但可以帶來更劇烈的振動。
值得注意的是,在動平衡前,當ω>ωcr時,拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振幅起初減小,之后將再次上升。 這是因為ω在不斷增大過程中,轉(zhuǎn)子彎曲量將不斷增大的緣故。此外,當把動平衡速度設(shè)定為臨界速度ωcr時,轉(zhuǎn)子的平衡作用可以最大限度地限制振幅。而在動平衡之后,當ω超過臨界轉(zhuǎn)速4 800 r/min時振幅將不斷增加,并且臨界振幅Acr遠小于其他轉(zhuǎn)速下的振幅A。
如圖10(b)所示,在M701F燃氣輪機轉(zhuǎn)子的振動中也發(fā)現(xiàn)了這一特征,該轉(zhuǎn)子也是一種拉桿轉(zhuǎn)子,其平衡速度等于臨界速度2 200 r/min。類似地,2 200 r/min時的轉(zhuǎn)子振幅遠小于其他速度下的振幅,并且在臨界速度之后其振幅將再次增加。
通過對含缺陷的拉桿轉(zhuǎn)子的三維動力學模型分析可以找出其原因。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到ωcr時,其不平衡量為e+rb,為了抑制此時的動不平衡,需要將-(e+rb)ω=ωcr的平衡量添加到含缺陷的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中。此時系統(tǒng)幅度Acr(ω=ωcr)必定等于0。但當ω不等于ωcr時,Δ(e+rb)=|(e+rb)ω≠ωcr-(e+rb)ω=ωcr|>0,所以其他轉(zhuǎn)速下的振幅明顯大于Acr。此外,在ω在超過ωcr之后,Δ(e+rb)將隨著ω繼續(xù)增大。所以,當ω>ωcr時,振動幅度會再次增加。

圖10 兩種含缺陷的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和M701F燃氣輪機轉(zhuǎn)子的振幅Fig.10 Vibration for both defective rotor systems and M701F gas turbine rotor
另一方面,在將恒定平衡量e添加到含缺陷的整體轉(zhuǎn)子中之后,平衡轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏心及振幅必定等于0。
這種特殊現(xiàn)象說明了為什么拉桿轉(zhuǎn)子中的輪盤對中心精度要求高于整體轉(zhuǎn)子。 在設(shè)計這種拉桿轉(zhuǎn)子時,應(yīng)該對對中缺陷特別注意。
本文這部分比較了兩種含缺陷轉(zhuǎn)子的非線性旋轉(zhuǎn)特性。如圖9所示,在ωP= 8 280 r/min和ωP′= 7 940 r/min時,當ω超過ωP和ωP′時,含缺陷的拉桿轉(zhuǎn)子和整體轉(zhuǎn)子系統(tǒng)將失去穩(wěn)定性。 此時,拉桿轉(zhuǎn)子和整體轉(zhuǎn)子將執(zhí)行準周期運動(見圖11)。

圖11 兩種含缺陷轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動Fig.11 Whirling motions for both defective rotors
同時,旋轉(zhuǎn)運動和相應(yīng)的龐加萊映射的比較,如圖12所示。準周期軌道確保龐加萊點形成閉合曲線。
如圖13所示,由于兩種轉(zhuǎn)子都被確定為準周期運動,所以具有相似的頻率分量。
旋轉(zhuǎn)頻率取決于轉(zhuǎn)速,兩種轉(zhuǎn)子分別為138 Hz(8 290 r/min)和132.5Hz(7 950 r/min)。由于準周期運動實際上是源自HopfT-周期解的分裂軌道,所以Hopf半頻(76 Hz)也包括在各自的頻譜中,該數(shù)據(jù)大致等于ω/2。其他頻率則來源于準周期運動的拍頻振動。
輪盤的對中缺陷導(dǎo)致恒定的質(zhì)量偏心率e和隨速度變化的轉(zhuǎn)子彎曲量rb。過大的e和rb對拉桿轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性和振動特性影響很大。 為了使拉桿轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定工作,應(yīng)找出最大的對中缺陷偏差。


圖12 兩種轉(zhuǎn)子的運動和龐加萊映射的比較Fig.12 Comparison of motions and Poincaré map for both rotors

圖13 兩種含缺陷轉(zhuǎn)子的頻率Fig.13 Frequencies of both defective rotors
圖14顯示了拉桿轉(zhuǎn)子和整體轉(zhuǎn)子的允許最大對中缺陷偏差分別為21 μm和28 μm,證實了拉桿轉(zhuǎn)子在徑向定位表面上的精度要高于相應(yīng)的整體轉(zhuǎn)子。 這種允許的同軸度公差也為拉桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計提供了加工精度的參考。
由于轉(zhuǎn)子彎曲生成和增大的根本原因是拉桿的預(yù)緊力大,因此減少預(yù)緊力大小是減少對動態(tài)性能不利影響的可行方法。例如,輪盤‘b’存在向下的位移并擠壓4號拉桿,所以假定該拉桿的預(yù)緊力有所降低(2.5%~10%)。在靜動聯(lián)合分析之后,可以看出當預(yù)緊力減小ΔF=7.5%時,隨著ω上升,轉(zhuǎn)子彎曲量將略有變化。這使得動平衡更為容易。因此,當ΔF=7.5%時,轉(zhuǎn)子在動平衡后的工作速度下具有最低的振動幅度。 此時,即使存在對中缺陷,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)也可以通過不均勻的預(yù)緊而具有相對令人滿意的動態(tài)特性。

圖14 輪盤的同軸度公差Fig.14 Centration tolerance among disks

圖15 含缺陷拉桿轉(zhuǎn)子的靜態(tài)和動態(tài)特性Fig.15 Static and dynamic properties for defective bolt-disk rotor
本文提出了一種靜動聯(lián)合分析方法以研究拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對中缺陷的影響。結(jié)論包括:
(1)徑向定位面的加工偏差導(dǎo)致了含缺陷輪盤的質(zhì)心偏心;由于預(yù)緊力和離心力作用,輪盤之間的對中缺陷將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲。
(2)源于對中缺陷的轉(zhuǎn)子彎曲將導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯降低,振幅增大。
(3)無論是否進行動平衡,隨速度而變化的轉(zhuǎn)子彎曲決定了轉(zhuǎn)子振幅在過臨界轉(zhuǎn)速后將再次增大的特征。在M701F燃氣輪機轉(zhuǎn)子中也發(fā)現(xiàn)了這一特征,也是一種典型的拉桿轉(zhuǎn)子。這些特殊現(xiàn)象表明在設(shè)計這種拉桿轉(zhuǎn)子時應(yīng)該注意對中缺陷的影響。
(4)拉桿轉(zhuǎn)子允許的對中缺陷明顯小于整體轉(zhuǎn)子。這就說明了拉桿轉(zhuǎn)子中徑向定位面的加工精度遠高于整體轉(zhuǎn)子的原因。
(5)當存在對中缺陷時,不均勻預(yù)緊是減少對動態(tài)特性不利影響的可行方法。