航空發動機葉盤軸系統響應特性分析

馬德寶，黨鵬飛

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，110142，遼寧沈陽）

航空發動機是飛機的推進系統，它為機組的正常飛行提供動力，而葉盤軸系統是航空發動機的核心部件，當外部激振頻率與系統的葉片的固有頻率相同時，葉片將會發生共振[1]。一旦發生強烈共振，葉片很容易產生高周疲勞，發生失效斷裂導致發動機的破壞，這嚴重影響發動機的安全性和可靠性，因此航空發動機葉盤軸系統的振動問題愈發得到重視[2]。傳統上葉片振動設計主要考慮葉片自身、圍帶和拉筋等連接件的作用，以及輪盤對葉片的影響，而忽略軸系對葉片的影響。鄭彤[3]等將葉片簡化為柔性薄板，考慮了面外變形和面內變形以及變形耦合項，分析了航空發動機的葉盤耦合振動特性。徐自力[4]等針對多級葉盤轉子結構，考慮多級葉片彎曲變形和軸扭轉變形耦合作用，引入葉片離心剛化作用，求解出系統耦合模態，研究了葉盤固有頻率、葉片長度、葉盤間距、葉片扭轉角對振動特征的影響。

本文分別建立了不同軸徑的葉盤軸系統有限元模型，然后進行了諧響應分析，研究了軸徑對葉盤軸系統振動特性的影響，為葉盤軸系統轉子試驗器的優化設計提供依據。

1 葉盤軸系統建模

本文所研究的是航空渦輪發動機葉盤軸系統的響應特性，因此忽略了部分裝配設計。其幾何尺寸如下：軸半徑r 為27.5 mm，軸長180 mm，葉片的厚度、寬度、長度分別為2 mm、25 mm、50 mm，軸與葉盤距離L為30 mm。為使得所建模型更加接近實際，材料選用密度為4 420 kg·m-3、楊氏模量為110.32 GPa、泊松比為0.31 的鈦合金，并將18 個葉片傾角均設置為15°，通過SolidWorks 軟件建立葉盤軸系統模型，如圖1 所示。

圖1 葉盤軸系統模型

2 不同軸徑葉盤軸系統諧響應分析

將葉盤軸系統的軸半徑分別設為27.5 mm、30 mm、32.5 mm 和35 mm，并在0～3 200 Hz 范圍內激振力為9.8 N 的激勵幅度下，對不同軸徑的葉盤軸系統進行響應分析，不同軸徑的葉盤軸系統響應幅值對比如圖2 所示。

圖2 不同軸徑葉盤軸系統響應對比圖

由圖2 可以看出：頻率在600 Hz 附近時，軸徑為35 mm 時響應幅值最大，軸徑30 mm 時響應幅值最小，是35 mm 時響應幅值的4.9%；頻率范圍在850～12 50 Hz 范圍時，軸徑30 mm 響應幅值為8.28×10-6mm，軸徑為32.5 mm 的響應幅值為9.15×10-6mm；頻率在2 750 Hz 附近時，軸徑27.5 mm 響應幅值最高，軸徑30 mm 響應幅值最低，是27.5 mm 響應幅值的6%。綜合以上三個頻率范圍來看，軸徑在22.5～35 mm時，30 mm 軸徑的系統響應幅值相對較低。

3 結語

（1）建立了葉盤軸系統模型，綜合分析了軸與葉盤的距離、軸徑對系統振動特性的影響，為將來葉盤軸系統試驗器的設計提供理論依據。

（2）軸徑在22.5～35 mm 時，30 mm 軸徑時系統的響應幅值相對較低。