航空發動機轉子在沖擊載荷下的振動響應分析與試驗

聶衛健, 盧 愈, 唐 廣,3, 楊曉光, 王金舜,3, 陳亞農,3

(1. 北京航空航天大學 能源與動力工程學院,北京 102206; 2. 中國航發湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412002;3. 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)

航空發動機轉子是發動機動力推進系統的核心部件,其在大沖擊載荷下振動特性直接決定發動機能否滿足在特殊作戰環境和起降落方式下的安全運行需求。抗沖擊載荷試驗是考核航空、航海等設備的重要試驗項目,比如,針對整機抗沖擊試驗,姚念奎等[1-3]提出采用整機落震的試驗方法開展,在國內首先開展整機落震試驗研究,并取得一定成果;付超[4]和陳海龍等[5]系統研究了船用設備的抗沖擊能力和沖擊載荷下的振動響應;萬強等[6]則開展某燃氣輪機高壓轉子-渦輪抗沖擊性能研究,進行了沖擊響應計算和分析。國內針對航空發動機轉子和擠壓油膜阻尼器開展了很多研究,掌握了轉子動力學建模、計算與試驗技術[7-10]以及擠壓油膜阻尼器的減振特性與理論研究方法[11-14],但針對帶擠壓油膜阻尼器的航空發動機轉子在沖擊載荷下的振動響應建模和試驗研究剛剛起步,亟需開展系統的研究。

本文建立了帶擠壓油膜阻尼器航空發動機轉子的振動響應有限元分析模型,將轉子在受到沖擊載荷瞬時的振動響應拆分為諧響應和沖擊響應,開展了轉子諧響應、沖擊響應的建模計算分析,分析了在不同脈寬的沖擊載荷下轉子的瞬時振動響應,并在振動臺上開展了相應試驗研究,對比分析了有限元計算結果和試驗結果,提出了沖擊載荷下航空發動機轉子振動響應分析和試驗方法,為某航空發動機研制提供技術支持。

1 轉子結構

如圖1所示,轉子主要由動力渦輪軸、兩級動力渦輪盤等零部件組成,動力渦輪盤之間通過端齒實現連接。轉子采用4支點0-3-1支承方式,其中,2號支點采用了擠壓油膜阻尼器結構,如圖2所示。

圖1 轉子結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the rotor

圖2 擠壓油膜阻尼器結構Fig.2 Squeeze film damper

2 諧響應建模及分析

2.1 有限元建模

采用ANSYS有限元軟件基于梁單元建立轉子的有限元模型,建模過程中,轉子實體結構、支承、葉片質量和轉動慣量分別采用梁單元、軸承單元、集中質量單元進行模擬。建立的有限元模型如圖3所示,轉子共3 641個節點。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 諧響應分析

轉子在運轉過程中,振動響應主要包括受到不平衡力、支點支反力引起的響應,因此,不考慮轉子的軸向運動,并考慮轉子的陀螺力矩,轉子的運動微分方程可寫為

(1)

式中:M為慣性矩陣;G為陀螺矩陣;K為剛度矩陣;F1為不平衡激勵力;F2為支點支反力;u為位移向量。轉子有限元模型節點數為n,則M,G,K維度為4n×4n,F1,F2和u的維度為4n×1。在沖擊瞬時,認為轉子受到的不平衡激勵力和支點支反力不變。

以N表示內部自由度、J表示界面物理自由度,采用固定界面模態綜合法[15-16]對轉子系統維數進行縮減(即按支承界面自由度和內部自由度對轉子系統自由度進行分塊,將物理空間轉換為模態空間,縮減內部自由度,減小運動微分方程的數值求解計算量),建立轉子系統的運動微分方程組,如式(2)所示

(2)

此外,支反力考慮了擠壓油膜阻尼器的非線性油膜力,采用短軸承假設理論和Reynolds邊界條件得到固定坐標系下的非線性油膜力為

式中:μ為滑油黏度;R為軸頸半徑;L為SFD長度;c為油膜半徑間隙;x,z分別為轉子軸頸偏心在水平和垂直方向上的投影;I1,I2,I3為Sommerfeld積分;tanψ=x/y。

對于其他采用彈性支承的支點(1號、3號和4號),其支反力可表示為

(4)

式中,Kx,Kz分別為水平和垂直方向上的彈性支承剛度。

將式(3)、式(4)代入式(2),采用Newmark-β法對非線性微分方程組進行求解,再將求解結果通過矩陣運算由模態空間轉換到物理空間,即可得到轉子上的振動響應。

3 沖擊響應建模及計算

為了得到轉子在17 500 r/min轉速下施加沖擊載荷時轉子的振動響應,建立了轉子在旋轉狀態下施加沖擊載荷時其振動響應的計算模型,如圖4所示。為了充分模擬試驗時轉子、高速電機、支座、試驗平臺等安裝的實際狀態和振動臺的沖擊條件,同時為了建模的方便,將高速電機、支座、試驗平臺等用集中質量代替(見圖4中“○”)。對整個模型同時施加轉速和沖擊載荷,施加沖擊載荷時,分別施加如圖5所示脈寬為6 ms和11 ms的的沖擊載荷(沖擊瞬時載荷大小為10g),為保證與試驗時施加沖擊載荷位置的一致性,沖擊載荷施加在模型中間部位,然后計算得到轉子軸上Z1,Z2,Z3處垂直方向的振動響應(分別用D1,D2,D3表示),分別如圖6、圖7所示。

圖4 沖擊響應計算模型Fig.4 Shock response calculation model

圖5 不同脈寬的沖擊載荷Fig.5 Impact load with different pulse width

圖6 沖擊響應計算結果(脈寬6 ms)Fig.6 Calculation result of shock response when pulse width is 6 ms

圖7 沖擊響應計算結果(脈寬11 ms)Fig.7 Calculation results of shock response when pulse width is 11 ms

4 沖擊載荷下振動特性試驗研究

4.1 試驗設備

試驗在如圖8所示的振動臺上進行,振動臺主要由水平臺面和垂直臺面組成,具有施加半正弦波、三角波和鋸齒波等沖擊載荷的能力,振動臺是根據電磁感應原理(即通以交變電流的線圈在恒定磁場中將受到交變力的作用)設計的振動發生裝置,勵磁線圈通入直流電后,在繞組中通過由功率放大器輸入的交流驅動電流,動圈即在交變電磁力的作用下而產生運動,從而提供試驗所需的沖擊載荷。

圖8 振動臺結構示意圖Fig.8 Structural diagram of the vibration table

4.2 試驗安裝與測試

按圖9將轉子安裝在振動臺上,試驗采用高速電機驅動,通過變頻器對高速電機啟停、加減速進行控制。試驗過程中測量轉子軸垂直方向的撓度(見圖9D1,D2,D3,測量位置與計算位置保持一致)、支座振動加速度、彈支應變、軸承溫度等參數,限于篇幅,本文只針對轉子振動響應進行分析。轉子在振動臺上安裝實物照片如圖10所示,試驗前,預先開展了高速電機全轉速范圍內動力特性和抗沖擊性能試驗,驗證了高速電機具備不低于10g的抗沖擊能力;此外,還完成轉子的全轉速范圍內的動力特性試驗,確保了轉子能夠平穩越過臨界轉速、安全運行至17 500 r/min,為論文研究奠定了堅實的基礎,限于篇幅,上述試驗過程不再贅述。因試驗沖擊載荷大,轉子轉速高,試驗風險較大,為確保試驗安全,設計有安全防護裝置,在振動臺四周及上方采用雙層10 mm厚鋼板隔離防護,在防護罩內安裝照明燈和攝像頭,實現試驗過程中對轉子狀態的遠程監測,如圖11所示。

圖9 轉子測試安裝示意圖Fig.9 Test and installation schematic diagram of the rotor

圖10 轉子在振動臺上的安裝照片Fig.10 The photo of the rotor on vibration table

圖11 遠程監視畫面Fig.11 Remote monitoring

4.3 試驗結果

啟動高速電機,帶動轉子運行至17 500 r/min的轉速,隨即啟動沖擊載荷控制系統,分別施加脈寬為6 ms和11 ms的沖擊載荷(分別如圖12、圖13所示)。由3個位移傳感器測得的沖擊瞬時中的轉子軸垂直方向的振動響應,通過讀取沖擊時間和對該時間段3個位移傳感器測得的轉子振動響應進行濾波處理,得到沖擊瞬時振動響應時域信號,如圖14、圖15所示。

圖12 沖擊載荷譜(脈寬6 ms)Fig.12 Impact load spectrum when pulse width is 6 ms

圖13 沖擊載荷譜(脈寬11 ms)Fig.13 Impact load spectrum when pulse width is 11 ms

圖14 瞬態振動響應(脈寬6 ms)Fig.14 Vibration transient response when pulse width is 6 ms

圖15 瞬態振動響應(脈寬11 ms)Fig.15 Vibration transient response when pulse width is 11 ms

5 仿真分析與試驗結果對比分析

通過讀取試驗振動響應結果,將計算結果與試驗結果進行對比分析。定義計算誤差的計算公式為

(5)

得到在不同脈寬的沖擊載荷下,轉子振動響應的計算誤差,分別如表1和表2所示。表1、表2中,計算響應值為諧響應值(由第2章計算得到)和沖擊響應值(由第3章計算得到)之和。

表2 計算值與試驗值對比(脈寬11 ms)

由表1、表2可知,在一定脈寬范圍內,不論是試驗值還是計算值,沖擊載荷的脈寬越大,各測點測得的振動響應值越小;計算響應值比試驗響應值偏大,計算誤差在10.44%～20.00%。

6 結 論

論文以航空發動機轉子為研究對象開展沖擊載荷下振動響應建模分析和試驗研究,具有重要的工程應用價值。主要結論如下:

(1)沖擊載荷大小一定時,在一定脈寬范圍內,隨著載荷脈寬變大,轉子的振動響應變小。

(2)提出的試驗方法順利完成了轉子在17 500 r/min轉速下施加沖擊載荷轉子振動特性試驗,獲取了沖擊瞬時轉子振動響應,驗證該試驗方法的可行性。

(3)同一沖擊載荷下,振動響應的計算值比試驗值要偏大,計算誤差在10.44%～20.00%,計算結果較好地反映了轉子本身的振動響應,本文提出的建模方法可行。