陳云，臧朝平，楊志強，周煌亮

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

變循環(huán)發(fā)動機(variable cycle engine，VCE)是一種多設(shè)計點發(fā)動機，通過改變某些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來調(diào)節(jié)其熱力循環(huán)參數(shù)，如增壓比、渦輪前溫度、涵道比、空氣流量，從而實現(xiàn)渦噴、渦扇之間的模式轉(zhuǎn)換，使發(fā)動機在所有飛行包線內(nèi)具有最佳工作狀態(tài)[1]。國外對變循環(huán)發(fā)動機的研究起始于20世紀60年代，取得了一定研究成果的主要代表國家有美國、英國、法國、日本等[2-5]。英國設(shè)計的選擇性排氣變循環(huán)發(fā)動機運用兩軸三壓氣機設(shè)計原理，具有分排、混排渦扇和渦噴三種循環(huán)方式。日本開展了核心機為HYPR90-T的組合循環(huán)發(fā)動機的技術(shù)研究與驗證，該核心機將低壓渦輪設(shè)計為可調(diào)結(jié)構(gòu)。法國的SNECMA公司提出了雙壓縮系統(tǒng)變循環(huán)發(fā)動機概念，該發(fā)動機采用中間風扇的MCV99VCE方案，通過控制中間風扇系統(tǒng)開關(guān)實現(xiàn)工作模式的轉(zhuǎn)換。美國對變循環(huán)發(fā)動機的研究時間最為持久，影響最為深遠。GE公司對變循環(huán)發(fā)動機的研究已經(jīng)歷經(jīng)5代，第3代YF120采用了模式選擇活門與核心驅(qū)動風扇(core driven fans,CDFS)技術(shù)，是世界上第1種經(jīng)飛行驗證的雙外涵道變循環(huán)發(fā)動機[6]。

國內(nèi)對變循環(huán)發(fā)動機的研究尚處于起步階段。劉治呈、梁春華、胡曉煜等[7-9]對變循環(huán)發(fā)動機的發(fā)展歷程做了部分綜述；聶永斌、周紅等[10-11]對變循環(huán)發(fā)動機的性能進行了數(shù)值模擬仿真；王元、茍學中等[12-13]對變循環(huán)發(fā)動機的部件建模技術(shù)進行了研究；竇健、吳瓊對變循環(huán)發(fā)動機后涵道引射器調(diào)節(jié)工況進行了數(shù)值研究[14]。

變循環(huán)發(fā)動機與傳統(tǒng)渦扇、渦噴發(fā)動機相比較，不僅靜子機匣增加了許多幾何可調(diào)構(gòu)件，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)也有較大的改變。中間風扇的增加，渦輪系統(tǒng)設(shè)計成可調(diào)結(jié)構(gòu)以及CDFS的存在都使得轉(zhuǎn)子的動力學特性變得更加復雜。為實現(xiàn)變循環(huán)功能，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)無法作出較大調(diào)整，轉(zhuǎn)子支承的合理布局能有效地改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性。臨界轉(zhuǎn)速是表征轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性以及設(shè)計合理性的重要參數(shù)?；诖耍疚脑敿毞治隽四畴p涵道變循環(huán)發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，建立了雙涵道變循環(huán)發(fā)動機轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)三維有限元模型，并對轉(zhuǎn)子、支承的有限元建模單元進行了詳細介紹。使用商業(yè)通用軟件ANSYS計算了4支點形式和5支點形式轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，并對結(jié)果進行了對比分析，分別闡述了兩種支承方式對變循環(huán)發(fā)動機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速與相應(yīng)振型的影響。

1 某雙涵道變循環(huán)發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

某雙涵道變循環(huán)發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)是高、低壓對轉(zhuǎn)渦輪雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，如圖1所示。低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由兩級前段風扇、單級低壓渦輪、低壓風扇軸以及低壓渦輪軸組成，風扇軸與渦輪軸通過套尺進行連接實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。高壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由一級核心驅(qū)動風(CDFS)、4級高壓壓氣機、單級高壓渦輪、高壓壓氣機軸以及高壓渦輪軸組成，兩段軸在過渡處用螺栓連接。CDFS與高壓壓氣機相連，由高壓渦輪驅(qū)動，其功能恰似1個后段風扇，也可當作一級高壓壓氣機。核心驅(qū)動風扇與高壓壓氣機之間有1個CDFS涵道，經(jīng)過CDFS的氣流部分通過該涵道之后進入主外涵道。CDFS和4級高壓壓氣機均采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以消除氣流在榫根和榫槽間縫隙中流動所帶來的損失與微動磨損，也可使發(fā)動機零件數(shù)大大減少。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支承方式與F110的基本相似，低壓轉(zhuǎn)子采用了1-1-1的支承方式，分別在進氣機匣、中介機匣、后承力機匣安裝了軸承，低壓轉(zhuǎn)子主要通過這3個承力機匣向外傳遞載荷。高壓轉(zhuǎn)子采用了1-0-1的支承方式，前支承處于中介機匣，后支承(即中介支承)位于低壓渦輪軸上。這種5支點支承方式可以減少整臺發(fā)動機的承力構(gòu)件數(shù)目，也可以減少發(fā)動機的長度，達到大大提高推重比的目的。

圖1 某雙涵道變循環(huán)發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖

2 變循環(huán)發(fā)動機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算

2.1 有限元模型的建立

本文應(yīng)用有限元法對變循環(huán)發(fā)動機轉(zhuǎn)子動力學特性進行研究，不考慮葉片以及連接結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子動力學特性的影響。材料彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，建立的基于某雙涵道變循環(huán)發(fā)動機的轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)三維有限元模型如圖2(a)所示。低壓轉(zhuǎn)子總長1 900 mm，最大外徑630 mm，最小外徑45 mm，質(zhì)量118.8 kg；高壓轉(zhuǎn)子總長1 100 mm，最大外徑640 mm，最小外徑70 mm，質(zhì)量229.2 kg。高、低壓所有軸段均為空心軸。CDFS盤的質(zhì)量為25.1 kg，占高壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量的11%。CDFS盤與第一級高壓壓氣機盤的距離是107.5 mm。轉(zhuǎn)子部分全部用六面體網(wǎng)格進行劃分，采用SOLID186單元，單元總數(shù)為86 529，節(jié)點數(shù)為442 050。SOLID186單元是一種高階三維六面體單元，如圖2(b)所示，該單元由20個節(jié)點組成，每個節(jié)點有3個自由度:在節(jié)點x、y和z方向上的平移。該單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力加強、大撓度和大應(yīng)變計算分析。它還具有模擬近不可壓縮彈塑性材料和全不可壓縮超彈性材料變形的混合形式能力。使用SOLID186劃分網(wǎng)格能減小畸形單元的產(chǎn)生，在保證有限元模型精度的條件下大幅度減小單元總數(shù)量，降低模型自由度數(shù)，加快計算速度。為了更加準確地模擬實際支承情況，在與支承位置對應(yīng)的軸段中心建立一個質(zhì)量單元，該單元質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量取極小值，選取較小范圍內(nèi)的一圈節(jié)點與建立的質(zhì)量單元進行剛性連接，質(zhì)量單元與外部某一全約束節(jié)點之間建立COMBIN214支承單元。該單元是二維軸承單元，如圖2(c)所示，由兩個節(jié)點組成，每個節(jié)點有x、y兩個自由度，具有剛度和阻尼特性。本文假設(shè)軸承各向同性，忽略阻尼對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性的影響。

圖2 變循環(huán)發(fā)動機

2.2 不同支承方式轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算

如圖2(a)所示，雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用5支點方式，高壓轉(zhuǎn)子采用1-0-1支承，低壓轉(zhuǎn)子采用1-1-1支承，其中4號支承為中介支承，各支點的支承剛度如表1所示。低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍設(shè)置為0～20 000 r/min，高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比為-2(負號表示轉(zhuǎn)動方向相反)。計算得到以低壓轉(zhuǎn)子為主激勵有四階臨界轉(zhuǎn)速分別為3 108.6 r/min、3 996.0 r/min、7 589.0 r/min、11 309.1 r/min。

表1 各支點支承剛度 單位：N/m

去除2號支承，將5支承形式改為4支承形式，高壓轉(zhuǎn)子采用1-0-1支承，低壓轉(zhuǎn)子采用1-0-1支承，各支點的支承剛度不變，計算得到以低壓轉(zhuǎn)子為主激勵有五階臨界轉(zhuǎn)速分別為2 633.1 r/min、5 288.9 r/min、6 219.0 r/min、11 568.5 r/min、14 991.8 r/min。相比5支承方式，第一階臨界轉(zhuǎn)速降低了15.3%，第二階臨界轉(zhuǎn)速升高了32.3%，第三階臨界轉(zhuǎn)速降低了18.1%，第四階臨界轉(zhuǎn)速升高了2.3%。

2.3 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速振型分析

由有限元法計算的5支承方式各階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)的主振型如圖3(a)所示。第一階振型主要是1號支承引起的低壓風扇盤左右偏擺振動，在1號與4號支承之間的軸段發(fā)生較小彎曲。第二階振型與第一階類似，風扇盤偏擺的幅度有所增加，發(fā)動機在通過改階臨界轉(zhuǎn)速時風扇葉片與機匣發(fā)生碰磨的可能性較大。第三階振型是高壓轉(zhuǎn)子的剛體模態(tài)，3號支承引起的俯仰振動以及耦合支承引起的低壓渦輪盤擺動。第四階振型是低壓渦輪盤圍繞軸心的左右偏擺振動。4支承方式各階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)的主振型如圖3(b)所示。第一階振型與5支承方式基本一致，第二階、第三階、第四階是低壓渦輪盤的偏擺，第五階臨界振型是低壓轉(zhuǎn)子的一階彎曲振動以及低壓渦輪小幅度的偏擺振動。可以看出，5支承方式的第三階振型除外，其余各階高壓轉(zhuǎn)子振動幅度較小，主要是低壓轉(zhuǎn)子風扇盤及渦輪盤的振動。4支承方式未出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子的明顯振動，低壓轉(zhuǎn)子風扇盤及渦輪盤的振動依然存在，并且出現(xiàn)了低壓轉(zhuǎn)子的一階彎曲模態(tài)。說明不管是4支承方式還是5支承方式，高壓轉(zhuǎn)子剛性較大，不易發(fā)生彎曲振動，低壓轉(zhuǎn)子軸向跨大，半徑小，容易發(fā)生彎曲變形。在風扇盤與渦輪之間增加2號支承，可以有效防止第五階彎曲臨界振型的出現(xiàn)。

圖3 兩種支承方式轉(zhuǎn)子各階臨界轉(zhuǎn)速主振型

3 結(jié)語

本文經(jīng)過分析某雙涵道變循環(huán)發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，建立了變循環(huán)發(fā)動機轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)三維有限元模型，計算分析了不同支承方式對變循環(huán)發(fā)動機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速與主振型的影響。結(jié)果表明：以低壓轉(zhuǎn)子為主激勵，轉(zhuǎn)速在20 000 r/min內(nèi)，5支承方式有四階臨界轉(zhuǎn)速而4支承方式有五階臨界轉(zhuǎn)速，且相對應(yīng)的各階臨界轉(zhuǎn)速有的增大，有的減小。增加2號支承，第一階、第三階臨界轉(zhuǎn)速上升，第二階臨界轉(zhuǎn)速降低，第四階臨界轉(zhuǎn)速基本不變。5支承方式能避免低壓轉(zhuǎn)子的彎曲模態(tài)，但是會增加風扇盤的偏擺模態(tài)。臨界轉(zhuǎn)速的變化說明整體的支承剛度并不是與支點數(shù)目的多少呈正相關(guān)，還可能與支點的位置息息相關(guān)，后續(xù)可以對此進一步研究，進而完善支承方式的選擇。