王慶平 崔巍 劉坤

摘 要：采用仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究了試驗(yàn)連接結(jié)構(gòu)對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。結(jié)果表明：連接結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速影響較小，對二階、三階臨界轉(zhuǎn)速影響比較明顯;連接結(jié)構(gòu)采用鈦合金材料對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和動(dòng)力輸入軸振動(dòng)位移幅值的影響明顯小于不銹鋼材料。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng);連接結(jié)構(gòu);轉(zhuǎn)子系統(tǒng);動(dòng)力特性

中圖分類號：V231.96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0098-02

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)振動(dòng)對發(fā)動(dòng)機(jī)的研制、工作可靠性和壽命等產(chǎn)生直接的影響[1]。統(tǒng)計(jì)表明航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度故障90%以上是由振動(dòng)導(dǎo)致或者與振動(dòng)有關(guān)[2]，而轉(zhuǎn)子——支承系統(tǒng)的振動(dòng)和穩(wěn)定性直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)振動(dòng)水平。因此，對轉(zhuǎn)子——支承系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行研究和改進(jìn)，是減小發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)行之有效的方法。

影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的因素很多。彈性支承的動(dòng)力特性參數(shù)，直接影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性以及整臺發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)水平[3-4]，且支承剛度是重要的影響因素之一[5];彈性支承與軸承外環(huán)之間的擠壓油膜，對整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可以起到較好的減振效果[6-9];試驗(yàn)研究時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與試驗(yàn)臺之間的連接結(jié)構(gòu)也對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性產(chǎn)生不可忽略的影響[10]。

本文針對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方法，研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與試驗(yàn)臺之間的連接結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。

1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡介

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由軸流葉輪、離心葉輪、兩級燃?xì)鉁u輪、中心拉桿以及轉(zhuǎn)子與試驗(yàn)臺連接的套齒、連接環(huán)等組成，轉(zhuǎn)子組件之間采用圓弧端齒定心、定位，通過中心拉桿施加預(yù)緊力連接在一起，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2 有限元模型及計(jì)算結(jié)果

2.1有限元模型

本文為了分析有無套齒和連接環(huán)（連接結(jié)構(gòu)），以及使用不同材料對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響，建立了有限元仿真計(jì)算模型。有限元模型采用八節(jié)點(diǎn)四邊形單元，前后兩個(gè)彈性支承使用軸承單元模擬，采用集中質(zhì)量單元模擬葉片及部分輪盤、導(dǎo)流盤等。有無連接結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2和圖3所示。

2.2計(jì)算結(jié)果

前、后彈支剛度分別取1.8×107N/m和4.9×107N/m，有無連接結(jié)構(gòu)以及連接結(jié)構(gòu)分別采用不銹鋼和鈦合金（TC4）材料時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果見表1;有無連接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振型基本一致，本文僅給出有連接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振型圖，如圖4～圖6所示。

分析圖4～圖6可知，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階振型為平動(dòng)，二階振型為擺動(dòng)，三階振型為彎曲。

分析表1可知，有連接結(jié)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各階臨界轉(zhuǎn)速裕度均有較明顯的降低，最小降低約4.1%，最大降低約38%。連接結(jié)構(gòu)使用不銹鋼或者鈦合金材料，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速基本無影響;二階臨界轉(zhuǎn)速裕度僅有14.5%和9.2%，不滿足轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速裕度要求[11]，由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作時(shí)不在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)長時(shí)間停留，影響相對較小;連接結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的三階臨界轉(zhuǎn)速裕度僅1.7%，無法滿足使用要求，采用鈦合金材料時(shí)，三階臨界轉(zhuǎn)速裕度有13.3%的裕度，在做好振動(dòng)監(jiān)測的前提下，可以進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性試驗(yàn)。

仿真計(jì)算結(jié)果為后續(xù)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性試驗(yàn)提供了設(shè)計(jì)參考和依據(jù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)器簡介

試驗(yàn)使用的高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性試驗(yàn)器，具有轉(zhuǎn)速控制精度高，參數(shù)測試精度高等優(yōu)點(diǎn)。在前、后軸承座安裝加速度傳感器和位移傳感器測量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移幅值，使用應(yīng)變計(jì)和溫度傳感器監(jiān)測軸承的應(yīng)力和溫度。試驗(yàn)器安裝及測試示意如圖7所示。

“⊥”表示垂直方向，“=”表示水平方向;A1～A4為加速度傳感器，D1為振動(dòng)位移傳感器，S1～S4為測量彈支應(yīng)力的應(yīng)變計(jì)，T1～T2為軸承溫度傳感器。

3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

使用高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性試驗(yàn)器，針對連接結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料和鈦合金材料轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，分別開展了動(dòng)力特性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖8～圖12所示。

分析圖8～圖11可知，連接結(jié)構(gòu)采用不銹鋼或者鈦合金材料時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速基本相同，均在10000rpm左右，二階臨界轉(zhuǎn)速分別約為21000rpm和23200rpm，與仿真計(jì)算結(jié)果一致。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)過一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)較小，過二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，采用不銹鋼材料連接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有明顯的振動(dòng)增大現(xiàn)象，且出現(xiàn)多個(gè)振動(dòng)尖峰，而采用鈦合金材料連接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，振動(dòng)位移幅值較小且變化比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯振動(dòng)尖峰。

分析圖12可知，連接結(jié)構(gòu)采用鈦合金材料時(shí)，動(dòng)力輸入軸的振動(dòng)位移幅值明顯低于不銹鋼材料，且變化比較平穩(wěn)。采用不銹鋼連接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速27500rpm時(shí)，由于動(dòng)力輸入軸的振動(dòng)位移幅值超限，導(dǎo)致試驗(yàn)無法繼續(xù)。

4 結(jié)論

通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了采用不同材料的連接結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響，得到主要結(jié)論如下：

（1）有無連接結(jié)構(gòu)，以及連接結(jié)構(gòu)采用不同材料，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速影響較小，對二階和三階臨界轉(zhuǎn)速有較明顯的影響;

（2）連接結(jié)構(gòu)采用不銹鋼或者鈦合金材料時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和動(dòng)力輸入軸的振動(dòng)位移幅值相差較大，鈦合金材料明顯小于不銹鋼材料;

（3）在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與試驗(yàn)臺的連接結(jié)構(gòu)時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)選擇密度小重量輕的材料和結(jié)構(gòu)，以減小對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響。

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