全 勇 ，吳桂嬌 ，黃 巍

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)技術(shù)航發(fā)科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002；3.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海200241）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子在工作中受氣動(dòng)載荷、機(jī)動(dòng)載荷、彈支擠壓油膜阻尼器油膜力、螺栓連接等作用力的共同作用產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)。高壓轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)響應(yīng)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有顯著的影響，航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析對(duì)分析發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的振動(dòng)特性具有重要的意義[1-2]。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓模擬轉(zhuǎn)子是為驗(yàn)證某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)高壓轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)、加工的模擬轉(zhuǎn)子。本文以該高壓模擬轉(zhuǎn)子為對(duì)象，進(jìn)行了自由模態(tài)分析，并采用錘擊法開展了相應(yīng)的模擬轉(zhuǎn)子自由模態(tài)試驗(yàn)。同時(shí)研究了拆除了彈性盤、渦輪盤結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子自由模態(tài)頻率的影響。通過(guò)仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)及轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1 模擬轉(zhuǎn)子

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓模擬轉(zhuǎn)子主要由十級(jí)模擬壓氣機(jī)盤及兩級(jí)模擬渦輪盤、鼓筒及渦輪盤之間的彈性盤組成。轉(zhuǎn)子采用了1-0-1支承形式，前支點(diǎn)設(shè)置了帶彈性支承的擠壓油膜阻尼器，后支點(diǎn)為具有較強(qiáng)剛性的錐形支承結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)約為1 600mm，質(zhì)量約為300 kg.模擬轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

2 自由模態(tài)分析

高壓模擬轉(zhuǎn)子計(jì)算用材料性能數(shù)據(jù)列于表1.利用ANSYS軟件對(duì)模擬進(jìn)行了模態(tài)分析，法蘭連接處等效為剛性連接[3-4]。模擬轉(zhuǎn)子的3維有限元模型見圖2，表2、圖3、圖4為計(jì)算結(jié)果。

表1 材料性能數(shù)據(jù)

圖2 模擬轉(zhuǎn)子有限元模型

表2 模擬轉(zhuǎn)子前兩階自由模態(tài)頻率

圖3 一階彎曲模態(tài)振型

圖4 二階彎曲模態(tài)振型

從表2及圖3、圖4可以看出模擬轉(zhuǎn)子前兩階自由模態(tài)分別為一彎、二彎模態(tài)振型，尤其一彎模態(tài)頻率較低，在模擬轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。彈性盤與渦輪盤通過(guò)止口定位，軸向通過(guò)兩級(jí)渦輪盤壓緊。彈性盤連接可靠性受壓緊力大小、止口定位面加工精度影響較大。在模態(tài)分析中分別計(jì)算了拆除彈性盤、渦輪盤對(duì)轉(zhuǎn)子自由模態(tài)的影響。完整高壓模擬轉(zhuǎn)子以及拆除彈性盤、渦輪盤的高壓模擬轉(zhuǎn)子的自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 三種狀態(tài)的自由模態(tài)頻率

從表3可以看出拆除彈性盤后高壓模擬轉(zhuǎn)子的一彎模態(tài)頻率、二彎模態(tài)頻率均顯著降低，其中一彎模態(tài)頻率降低15.6%，二彎態(tài)頻率降幅甚至達(dá)到32.8%.這是因?yàn)閺椥员P在兩級(jí)渦輪盤之間裝配時(shí)通過(guò)軸向壓緊力及止口定位面將兩級(jí)渦輪盤連接為一體，拆除彈性盤后兩級(jí)渦輪盤之間沒有接觸，渦輪盤附件轉(zhuǎn)子的局部剛度大幅度降低，剛度降低對(duì)模態(tài)頻率的影響大于質(zhì)量減輕的影響，從而導(dǎo)致模擬轉(zhuǎn)子兩階自由模態(tài)頻率大幅度減小。拆除彈性盤后同時(shí)將二級(jí)渦輪盤一起拆除，在模態(tài)分析中發(fā)現(xiàn)一彎模態(tài)頻率、二彎模態(tài)頻率都有不同程度增大，其中一彎模態(tài)頻率增幅25.0%，二彎模態(tài)頻率增幅5.5%.這是因?yàn)槎?jí)渦輪盤質(zhì)量相對(duì)較大，拆除彈性盤、二級(jí)渦輪盤的總質(zhì)量降低對(duì)模態(tài)頻率的影響大于剛度降低的影響，從而導(dǎo)致了模擬轉(zhuǎn)子兩階自由模態(tài)頻率有一定程度的增大。通過(guò)對(duì)多種狀態(tài)模擬轉(zhuǎn)子的自由模態(tài)分析可以看出，彈性盤結(jié)構(gòu)對(duì)于增強(qiáng)轉(zhuǎn)子在渦輪盤位置的局部剛度有著顯著的作用，彈性盤對(duì)轉(zhuǎn)子局部剛度的強(qiáng)化作用，能大幅度提升模擬轉(zhuǎn)子一彎、二彎模態(tài)頻率。同時(shí)需要注意的是在彈性盤的設(shè)計(jì)、加工及裝配過(guò)程中需要特別關(guān)注彈性盤壓縮量、止口定位面配合緊度、加工精度及裝配同心度等對(duì)模擬轉(zhuǎn)子局部連接剛度有重要影響的因素。

3 自由模態(tài)試驗(yàn)

在高壓模擬轉(zhuǎn)子的自由模態(tài)試驗(yàn)中，通過(guò)力傳感器對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，并將激勵(lì)載荷變換成相應(yīng)的動(dòng)態(tài)信號(hào)，使用加速度傳感器獲取振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，然后通過(guò)LMS公司的多通道模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)激勵(lì)和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行記錄與分析。在模態(tài)試驗(yàn)中，主要進(jìn)行了完整高壓模擬轉(zhuǎn)子及拆除彈性盤及渦輪盤的高壓模擬轉(zhuǎn)子的自由模態(tài)試驗(yàn)。模擬轉(zhuǎn)子通過(guò)吊繩懸掛確保其處于自由狀態(tài)[5-7]。高壓模擬試驗(yàn)照片見圖5.模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果見表4，完整高壓模擬轉(zhuǎn)子前兩階模態(tài)振型見圖6.

圖5 模擬轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗(yàn)照片

表4 模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)分析結(jié)構(gòu)

圖6 高壓模擬轉(zhuǎn)子前兩階彎曲模態(tài)振型

由于關(guān)注的是在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的一階彎曲模態(tài)振型，在拆除彈性盤及渦輪盤的高壓模擬轉(zhuǎn)子的模態(tài)試驗(yàn)中未測(cè)量、記錄二階模態(tài)頻率。通過(guò)表4模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與表3模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比可知完整模擬轉(zhuǎn)子的一階模態(tài)頻率誤差為3.0%，完整高壓模擬轉(zhuǎn)子的二階模態(tài)頻率誤差為1.0%，拆除彈性盤及渦輪盤的模擬轉(zhuǎn)子的一階模態(tài)頻率誤差為3.1%.由圖6高壓模擬轉(zhuǎn)子自由模態(tài)試驗(yàn)得到的模態(tài)振型可知前兩階模態(tài)振型確實(shí)分別為一彎振型、二彎振型。通過(guò)試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析證明了模擬轉(zhuǎn)子模態(tài)分析有限元模型的有效性。

4 結(jié)論

以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓模擬轉(zhuǎn)子為對(duì)象建立了有限元模態(tài)分析模型，分析了模擬轉(zhuǎn)子自由模態(tài)頻率、模態(tài)振型并研究了模擬轉(zhuǎn)子中彈性盤、渦輪盤結(jié)構(gòu)對(duì)模擬轉(zhuǎn)子自由模態(tài)的影響，并結(jié)合加工的模擬轉(zhuǎn)子實(shí)物開展了相應(yīng)的自由模態(tài)試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

（1）高壓模擬轉(zhuǎn)子的前兩階模態(tài)振型分別為一彎模態(tài)和二彎模態(tài)。

（2）拆除彈性盤模擬后前兩階彎曲模態(tài)頻率顯著降低，彈性盤結(jié)構(gòu)對(duì)于增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的局部剛度有著顯著的作用，能大幅度提升模擬轉(zhuǎn)子的一彎、二彎模態(tài)頻率。

（3）拆除彈性盤及渦輪盤后模擬轉(zhuǎn)子前兩階彎曲模態(tài)頻率增大，說(shuō)明彈性盤、二級(jí)渦輪盤的總質(zhì)量降低對(duì)模態(tài)頻率的影響大于剛度降低的影響。

（4）模態(tài)分析最大誤差小于3.1%，證明了建立的有限元模型的有效性。