渦扇發動機柔性轉子渦輪結構改進與動力特性研究

聶衛健，鄧旺群，陳亞農，童 亞，鄒 磊

(1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中國航空發動機集團航空發動機振動技術重點實驗室，湖南株洲 412002)

1 引言

轉子是航空發動機的關鍵部件，現在中小型航空發動機的轉子結構更加復雜，轉速也越來越高，直接對真實轉子進行動力學試驗具有較大的風險和困難。為此，在轉子方案設計階段，常常按照等效原則(連接結構、支承布局、質量慣性等保持與真實轉子一致)，設計和加工模擬轉子，以便進行動力學研究。鄧旺群、唐廣與劉文魁等對中小型航空發動機模擬轉子進行了系統的分析和試驗研究，為真實轉子的設計和試驗提供了支持，降低了研制風險。然而，由于轉子結構和動力學特性復雜，在試驗過程中常會出現各種各樣的故障，必須加以排除。很多學者在轉子故障診斷方法和故障排除方面進行了理論分析和試驗研究。如高峰系統研究了航空發動機高壓轉子振動故障診斷方法；劉建雄針對某航空發動機轉子的具體結構，建立了耦合振動故障分析模型；黃國遠就轉子系統不平衡、不對中和碰磨振動故障進行了深入的仿真和實驗研究；劉楊等建立了雙盤不對中-碰摩耦合故障轉子系統的力學模型和有限元模型，獲取了故障的動力學特性，為故障分析提供了理論依據；許琦等研究了多跨轉子系統耦合故障定量診斷方法，并通過實驗驗證了該方法的適用性；陳果等就航空發動機轉子-滾動軸承-支承-機匣耦合系統的碰摩故障進行了計算分析和試驗驗證；鄧旺群等針對某小型渦扇發動機在試驗過程中出現的不穩定和高轉速下振動超限振動故障，分析了故障原因，并驗證了排故措施的有效性。

某小型渦扇發動機模擬低壓轉子是一個帶細長軸、4 支點、跨兩階彎曲臨界工作的高速柔性轉子，結構緊湊且十分復雜。本文針對該轉子在試驗過程中出現的非整數倍頻振動超限的振動故障和動力特性開展研究，分析了故障原因，提出了改進措施，進行了模擬低壓轉子動力特性試驗，實現了轉速達標，排除了振動故障。研究結果為真實低壓轉子的結構設計和動力學設計提供了技術支持。

2 轉子結構

模擬低壓轉子結構如圖1 所示。轉子主要由5個模擬盤(包括兩級風扇模擬盤、增壓級模擬盤和兩級低壓渦輪模擬盤)和低壓軸等零件組成。轉子采用4支點(0-3-1)支承方案，風扇端懸臂，1號、5號支承分別采用鼠籠式和彈性環式彈性支承，2 號、6 號支承為剛性支承。總的來說，模擬低壓轉子具有多盤、多支點且一端懸臂的特點，結構非常復雜和緊湊，給動力學設計和試驗帶來了很大的困難。

圖1 模擬低壓轉子結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the simulated low-pressure rotor

3 故障分析與結構改進

模擬低壓轉子動力特性試驗在高速旋轉試驗器上進行，轉子安裝測試示意圖及試驗現場安裝照片分別見圖2 和圖3。試驗時，在圖2 所示①、②和③位置(轉子撓度測量面)布置位移傳感器(①和③位置垂直方向分別布置D和D位移傳感器，②位置垂直方向和水平方向分別布置D和D位移傳感器)，測量轉子的撓度；在各支座上均布置2個(垂直和水平方向各1個)振動加速度傳感器，測量各支座的振動加速度。圖2 中“⊥”、“＝”分別表示測量垂直方向和水平方向。

圖2 模擬低壓轉子在試驗器上的安裝及測試示意圖Fig.2 Installation and test schematic diagram of simulated low-pressure rotor

圖3 模擬低壓轉子試驗現場安裝照片Fig.3 Installation picture of the rotor

3.1 故障現象

在模擬低壓轉子動力特性試驗過程中，當轉子運行至40%額定工作轉速時，由A傳感器(圖2 中B支座水平方向)測得的振動加速度總量值超過限制值，且隨著轉速升高急劇增大，無法安全試驗，隨即停車。對各支座振動加速度在40%額定工作轉速下的頻率成分和大小進行分析，結果如圖4 所示。總體來看，基頻值相對較小(各支座振動加速度基頻值均不大于1g)，存在較多的2.4 倍頻、3.2 倍頻、3.4 倍頻等非整數倍頻成分，頻率成分十分復雜。且非整數倍頻量值較大，最大的為B支座水平方向的3.2倍頻成分，其量值已逼近6g。因此，非整數倍頻成分量值大是引起振動加速度超限的主要原因。

圖4 40%額定工作轉速下支座振動加速度頻譜圖(故障狀態)Fig.4 Frequency spectrum of vibration acceleration of support at 40 percent rated working speed(fault state)

3.2 故障分析

對模擬低壓轉子的兩級低壓渦輪模擬盤之間連接結構及其與低壓軸的連接方式進行復查和分析。兩級低壓渦輪模擬盤之間采用6 個定位銷定心、止扣面定位(配合面僅有1.2 mm)，且定位銷與兩級低壓渦輪模擬盤為間隙配合，低壓渦輪一級模擬盤與低壓軸通過6 個花瓣式接觸面(非完整圓柱面且長度僅有1.5 mm)定心，低壓渦輪二級模擬盤與低壓軸通過圓柱面定心、花鍵連接傳扭，整個低壓渦輪模擬盤定心結構復雜，很可能導致低壓渦輪模擬盤在高轉速下定位不可靠而引發振動故障。低壓渦輪模擬盤的結構見圖5。圖中，定位面1為低壓渦輪一級模擬盤與低壓軸的配合面，定位面2 為低壓渦輪二級模擬盤與低壓軸的配合面，以下同。

圖5 低壓渦輪模擬盤結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of turbine structure

3.3 渦輪結構改進及臨界轉速分析

根據故障分析可知，必須保證低壓渦輪模擬盤在高轉速下定位可靠，減少中間不穩定連接結構。提出的低壓渦輪模擬盤結構的改進措施為：取消6個定位銷，采用整體低壓渦輪模擬盤結構形式，兩級低壓渦輪模擬盤與低壓軸均采用圓柱面定位、花鍵傳扭，且定位面均不小于5 mm。改進后的低壓渦輪模擬盤結構如圖6所示。

圖6 改進后的低壓渦輪模擬盤Fig.6 Improved schematic diagram of turbine structure

低壓渦輪模擬盤結構改進前后，在表1 的支承剛度下，模擬低壓轉子前三階臨界轉速及其裕度計算結果見表2。裕度的計算公式如下：

表1 支承剛度Table 1 The supporting stiffness

表2 渦輪模擬盤改進前后臨界轉速及其裕度計算結果Table 2 The calculation results of the first three stages including critical speeds and margin

從表2 可知，模擬低壓轉子前三階臨界轉速裕度均大于50%，滿足臨界轉速設計準則要求。低壓渦輪模擬盤結構改進后，低壓模擬轉子的前三階臨界轉速基本沒有變化，表明改進后的低壓渦輪模擬盤結構對轉子的臨界轉速無實質性影響。

4 試驗結果與分析

低壓渦輪模擬盤采取改進措施后(其他零部件結構不變)，對模擬低壓轉子進行了動力特性試驗。圖7為4個位移傳感器測得的全轉速范圍內的轉子撓度-相對轉速曲線。圖中，相對轉速表達式為：

圖7 4個位移傳感器測得的全轉速范圍內的轉子撓度-相對轉速曲線Fig.7 The flexibility-speed curve of the rotor in the whole speed range measured by four displacement sensors

低壓渦輪模擬盤結構改進后，轉子在40%額定工作轉速下的頻譜圖見圖8，各支座振動加速度在40%額定工作轉速下的總量值對比見表3。

圖8 40%額定工作轉速下支座振動加速度頻譜圖(改進后)Fig.8 Frequency spectrum of vibration acceleration of support at 40 percent rated working speed(after improved)

表3 低壓渦輪模擬盤改進前后40%額定工作轉速下振動加速度總量值對比Table 3 Comparison of total value of vibration acceleration at 40 percent rated working speed before and after improvement

從圖7、圖8 和表3 可以看出，低壓渦輪模擬盤結構改進后，模擬低壓轉子能夠平穩越過前兩階臨界轉速并安全運行至額定工作轉速，在整個試驗過程中表現出良好的振動特性；各支座振動加速度頻率成分較干凈，不存在非整數倍頻的頻率成分；各支座振動加速度總量值較改進前有了較大降低，降低幅度不低于37.35%。同時，根據試驗結果，得到模擬低壓轉子前兩階臨界轉速的試驗值及計算值誤差，見表4。計算誤差定義如下：

表4 臨界轉速計算結果與試驗結果對比Table 4 Comparison between the calculated results and the test results

從表4 可知，模擬低壓轉子前兩階臨界轉速的計算誤差分別為3.42%和0.82%，均小于4%，計算結果與試驗結果非常吻合，建立的動力特性有限元計算模型很好地反映了模擬低壓轉子的實際情況。

5 結論

以結構復雜的某小型渦扇發動機模擬低壓轉子為研究對象，針對非整數倍頻振動超限故障開展分析和研究，提出了渦輪結構改進措施，并進行了動力特性分析和試驗驗證，實現了轉速達標，為真實低壓轉子結構設計提供了參考。主要結論如下：

(1) 復雜結構航空發動機轉子的結構設計，應重視主要零部件的連接部位的定位可靠性，避免采用定位不可靠的中間連接結構。

(2) 模擬低壓轉子跨兩階彎曲臨界轉速工作，臨界轉速裕度滿足要求，動力學設計合理。

(3) 故障定位準確，提出的改進措施有效。采用改進措施后的模擬低壓轉子，在全轉速范圍內振動特性良好，驗證了整個轉子結構的合理性。