烏英嘎，陳國(guó)棟

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)可以有效模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下的工作載荷。目前，大部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)在臥式狀態(tài)下進(jìn)行。為了研究立式懸臂結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)技術(shù)，本文提出了試驗(yàn)系統(tǒng)方案并進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)和臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算，并最終得出結(jié)論。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)方案

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)轉(zhuǎn)子組件、主軸系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、齒輪箱、真空防爆艙、潤(rùn)滑系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。試驗(yàn)轉(zhuǎn)子組件以垂直吊裝的形式安裝于主軸系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)子在0～25 000 r/min的無(wú)極調(diào)速。潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)齒輪箱及主軸系統(tǒng)供油，對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量、溫度測(cè)量等。所有測(cè)量信號(hào)均通過(guò)采集卡傳輸?shù)綘顟B(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)顯示并記錄。試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 摩擦傳扭設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)系統(tǒng)中動(dòng)力輸出采用直徑為23.7 mm的光軸，通過(guò)摩擦傳扭，可很大成程度上簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子試驗(yàn)為例，計(jì)算實(shí)現(xiàn)摩擦傳扭的過(guò)盈設(shè)計(jì)。圖2中驅(qū)動(dòng)軸及驅(qū)動(dòng)軸法蘭的材料均為GH4169。根據(jù)材料屬性、過(guò)盈配合面積及具體載荷參數(shù)，計(jì)算結(jié)果選取過(guò)盈配合為φ23.7H6/v7，本文對(duì)所選用過(guò)盈配合進(jìn)行過(guò)盈量校核計(jì)算，結(jié)果得出最小傳遞力為18 218 N，主要計(jì)算公式如下：

該過(guò)盈量可提供的最小傳遞力是某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子試驗(yàn)所需傳遞力14 616 N的1.25倍，包容件與被包容件的最大應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，該設(shè)計(jì)能夠滿足試驗(yàn)要求。

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)起到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接作用，與試驗(yàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軸法蘭和試驗(yàn)轉(zhuǎn)子連接。本文所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)外形尺寸為厚34.5 mm，外徑299 mm，選取材料為GH4169。針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)試驗(yàn)、破裂試驗(yàn)通過(guò)ANSYS軟件對(duì)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)狀態(tài)下應(yīng)力分析，分析結(jié)果分別如圖3和圖4所示。結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)滿足超轉(zhuǎn)和破裂試驗(yàn)要求。

3 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近工作，由于撓度較大，會(huì)產(chǎn)生巨大的不平衡離心力，引起整個(gè)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子，采用AutoCAD2000i/Ansa_v13.0/samcef field7.3軟件進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分，采用有限元分析軟件Samcef/Rotor 7.3為求解器。有限元模型采用2D軸對(duì)稱轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型，承力系統(tǒng)簡(jiǎn)化為軸承單元，葉片和聯(lián)軸器等結(jié)構(gòu)以集中質(zhì)量單元形式進(jìn)行簡(jiǎn)化。轉(zhuǎn)子第一階振型如圖5所示，轉(zhuǎn)子第二階振型如圖6所示。

結(jié)果表明，試驗(yàn)轉(zhuǎn)子第一階臨界轉(zhuǎn)速為3 496 r/min，振型為彎曲型，轉(zhuǎn)子應(yīng)變能為100%.試驗(yàn)轉(zhuǎn)子第二階臨界轉(zhuǎn)速為27 088 r/min，振型為彎曲型，轉(zhuǎn)子應(yīng)變能為100%.在試驗(yàn)系統(tǒng)中采用阻尼器，可以有效降低第一階臨界轉(zhuǎn)速引起的試驗(yàn)件振動(dòng)，而第二階臨界轉(zhuǎn)速不在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

圖3 超轉(zhuǎn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖4 破裂試驗(yàn)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 轉(zhuǎn)子第一階振型

圖6 轉(zhuǎn)子第二階振型

4 結(jié)論

為了研究立式懸臂結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)技術(shù)，本文提出試驗(yàn)系統(tǒng)方案并進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)和臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。結(jié)果標(biāo)明，所設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案合理，可以滿足轉(zhuǎn)子在立式結(jié)構(gòu)下進(jìn)行試驗(yàn)。