摘要：針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速高、溫度高和載荷大的設(shè)計(jì)需求，從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、選材分析以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學(xué)特征分析與設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了研究工作。研究結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸系結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析，可以找出轉(zhuǎn)子的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而提高軸系整體剛度均勻性，消除低階局部彎曲的振動(dòng)模態(tài);轉(zhuǎn)子三個(gè)軸承支承剛度選取合適的剛度范圍時(shí)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)和應(yīng)變能分析，可確保高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，具有足夠的臨界轉(zhuǎn)速共振裕度（大于20%）;在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過(guò)一階、二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子本身的應(yīng)變能總和不到10%，振動(dòng)帶來(lái)的轉(zhuǎn)子軸系損傷很小，滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

關(guān)鍵詞：高壓轉(zhuǎn)子;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);剛度;臨界轉(zhuǎn)速;應(yīng)變能

中圖分類號(hào)：V233" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）15-0027-07

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.007

0" " 引言

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是航空燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接決定著壓氣機(jī)的工作效率和可靠性[1-2]。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在工作中承受著氣動(dòng)、溫度、機(jī)械等復(fù)雜載荷的綜合作用，因此在總體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性等方面有著嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求[3]。

在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，陳巍等人[4]介紹了一種245 N推力微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和過(guò)程，并采用有限元與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法解決了試車中遇到的結(jié)構(gòu)問(wèn)題;趙威等人[5]以國(guó)外某發(fā)動(dòng)機(jī)為例，通過(guò)尺寸鏈的分配分析，使發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)尺寸，如轉(zhuǎn)靜子軸向間隙等更加合理可靠;張大義等人[6]針對(duì)高負(fù)荷壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，從減輕重量、提高可靠性和降低葉尖損失三個(gè)方面給出了結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性的一體化設(shè)計(jì)方法。在高壓轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析與設(shè)計(jì)方面，廖明夫等人[7]研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性及關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律;周海侖等人[8]、張大義等人[9]以雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙轉(zhuǎn)子-機(jī)匣耦合動(dòng)力學(xué)模型，給出了臨界轉(zhuǎn)速分析方法和影響參數(shù)。

上述研究表明，由于國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制一直以測(cè)試仿制為主，目前雖然具備了一定的零部件技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)能力[10-11]，但在整個(gè)高壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力方面尚有所不足，且可借鑒的公開發(fā)表文獻(xiàn)很少。本文針對(duì)某高壓壓氣機(jī)開展轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、選材分析以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學(xué)特征分析與設(shè)計(jì)的研究工作，為相關(guān)研究提供設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)據(jù)參考。

1" " 高壓轉(zhuǎn)子總體結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)在于設(shè)計(jì)出一個(gè)在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)避免振動(dòng)過(guò)大而重量輕、成本低的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以便獲得：（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)停留轉(zhuǎn)速和通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)子不平衡和機(jī)動(dòng)載荷引起的振動(dòng)變形和間隙損失足夠小;（2）支承軸承和結(jié)構(gòu)部件的無(wú)限壽命;（3）為解決發(fā)動(dòng)機(jī)研制期間可能遇到的振動(dòng)問(wèn)題而能調(diào)整原結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的余地;（4）既有發(fā)展?jié)摿?，又有良好可靠性和維修性;（5）容許發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間內(nèi)承受操作不當(dāng)（喘振、轉(zhuǎn)子熱彎曲）或葉片丟失情況下引起的特大不平衡。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段，高壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)必須具備足夠的剛性、允許的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速以及允許的轉(zhuǎn)子彎曲應(yīng)變能。

1.1" " 足夠的剛性

應(yīng)通過(guò)軸系剛度分布計(jì)算以及連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以確保高壓轉(zhuǎn)子軸系具有足夠的剛度。

轉(zhuǎn)子軸系包括葉片、盤、軸及其連接結(jié)構(gòu)，對(duì)于現(xiàn)代高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其基本原則是要求軸的彎曲剛度盡量接近等剛度設(shè)計(jì)，這樣可使軸系的動(dòng)力特性最優(yōu)，即共振點(diǎn)少，減少局部振動(dòng)，從而使軸系的振動(dòng)變形易于控制。

對(duì)于高壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，一般采用剛性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，通過(guò)剛度和質(zhì)量沿軸向的協(xié)調(diào)分布設(shè)計(jì)，以保證高壓轉(zhuǎn)子軸系的第一階自由模態(tài)具備足夠高的頻率，這樣才能使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)彎曲臨界轉(zhuǎn)速，并且避免軸系的低階局部振型。

1.2" " 允許的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

選擇彈性支承剛度，使轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和安全裕度要求。

根據(jù)總體參數(shù)，確定高壓轉(zhuǎn)子的最大工作轉(zhuǎn)速和慢車轉(zhuǎn)速;研究各彈性支承剛度對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律;確定彈性支承剛度值，保證剛體振型臨界轉(zhuǎn)速置于慢車轉(zhuǎn)速以下，并具有20%的轉(zhuǎn)速裕度;彎曲型臨界轉(zhuǎn)速在最大工作轉(zhuǎn)速以上，并具有20%的轉(zhuǎn)速裕度。

1.3" " 允許的轉(zhuǎn)子彎曲應(yīng)變能

轉(zhuǎn)子在通過(guò)各階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子彎曲應(yīng)變能應(yīng)小于該振型的發(fā)動(dòng)機(jī)總應(yīng)變能的20%。

計(jì)算模型必須包含轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)，對(duì)于工作轉(zhuǎn)速內(nèi)出現(xiàn)的臨界轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)子的彎曲應(yīng)變能大于總應(yīng)變能的20%，即使符合臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速裕度要求，也應(yīng)調(diào)整支承剛度以及調(diào)整轉(zhuǎn)子剛性和質(zhì)量，以降低轉(zhuǎn)子的應(yīng)變能。

2" " 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子由10級(jí)高壓壓氣機(jī)、1級(jí)篦齒封嚴(yán)盤和2級(jí)高壓渦輪組成，轉(zhuǎn)子支承方案為1-0-1，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子采用盤鼓混合式結(jié)構(gòu)，由5個(gè)部件組成，即第1級(jí)轉(zhuǎn)子、前軸頸與第2級(jí)轉(zhuǎn)子、第3～7級(jí)轉(zhuǎn)子、第8～10級(jí)轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)后篦齒封嚴(yán)盤。

前支點(diǎn)滾珠滾棒軸承并用，如圖2所示，滾珠軸承不承受或者盡量少承受徑向載荷，僅承受軸向載荷，徑向載荷由滾棒軸承來(lái)承受。該結(jié)構(gòu)形式有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是減少了滾珠軸承的徑向負(fù)荷，提高了軸承的耐久性;二是加入了滾棒軸承后，能更好地限制轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的徑向位移，從而更好地維持均勻的葉尖間隙，保持高壓壓氣機(jī)性能。

為滿足轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求，在上述總體結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)軸系進(jìn)行如下細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，以提高壓氣機(jī)的剛度分布均勻性。

2.1" " 提高前三級(jí)盤的局部剛性

壓氣機(jī)的前兩級(jí)為鈦合金材料的整體葉盤，零件數(shù)大為減少，同時(shí)輪盤的輪緣處不需要加工出安裝葉片的榫槽，因而輪緣的尺寸會(huì)隨之減小，減輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量。

由于螺栓連接位于第2級(jí)盤位置，若第1、2級(jí)盤之間只有單層鼓筒，第1級(jí)盤將變成懸臂式結(jié)構(gòu)，剛性較差，不利于控制鼓筒的變形以及葉尖間隙的大小，因此采用雙層鼓筒的結(jié)構(gòu)，輪盤安裝邊所在的鼓筒與封嚴(yán)篦齒所在的鼓筒形成環(huán)腔結(jié)構(gòu)，使前三級(jí)盤的局部剛性增強(qiáng)。同理，在第2、3級(jí)之間也采用雙層鼓筒的設(shè)計(jì)，形成另一環(huán)腔結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

2.2" " 縮短前后支點(diǎn)的距離，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子剛性

由于此高壓壓氣機(jī)軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，徑向尺寸較小，轉(zhuǎn)子整體剛性較差，根據(jù)靜力學(xué)與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，縮短前后支點(diǎn)的距離可以明顯提高轉(zhuǎn)子的剛性，因此在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量將前支點(diǎn)的位置后移。以CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其壓氣機(jī)的徑向尺寸與本方案較為接近，為了提高剛性，其前軸頸從第3級(jí)輪盤處伸出。綜合考慮各方面因素，設(shè)計(jì)本方案中壓氣機(jī)的前軸頸從第2級(jí)盤伸出，采用焊接方式將前軸頸與第2級(jí)盤做成一體結(jié)構(gòu)。采用這樣的結(jié)構(gòu)可以縮短壓氣機(jī)前支點(diǎn)與渦輪后支點(diǎn)的軸向距離，以提高高壓轉(zhuǎn)子的剛性，優(yōu)化其力學(xué)性能。

2.3" " 提高第7、8級(jí)盤連接處的局部剛性

在第7級(jí)輪盤處，存在一個(gè)引氣機(jī)構(gòu)，由于前七級(jí)與后三級(jí)所采用的材料不同，不能直接焊接，因此用短螺栓將第7級(jí)盤、引氣機(jī)構(gòu)及后三級(jí)輪盤三者相連接。由于此處的鼓筒直徑較小，剛性差，易發(fā)生較大變形，成為薄弱環(huán)節(jié)，因此采用了環(huán)腔式結(jié)構(gòu)，將外鼓筒與引氣機(jī)構(gòu)形成一個(gè)封閉空腔，以增強(qiáng)第7、8級(jí)連接處的局部剛性，同時(shí)為了抑制鼓筒的變形，在鼓筒內(nèi)側(cè)增加一個(gè)凸臺(tái)，起到加強(qiáng)筋的作用，如圖4所示。

2.4" " 抑制壓氣機(jī)后部鼓筒的過(guò)大變形

壓氣機(jī)的后部鼓筒為一錐殼結(jié)構(gòu)，厚度小，質(zhì)量輕，在離心載荷的作用下僅憑借第10級(jí)輪盤不足以抑制其變形，因此在壓氣機(jī)后設(shè)計(jì)篦齒封嚴(yán)盤，控制鼓筒變形量，同時(shí)在鼓筒內(nèi)側(cè)增加加強(qiáng)筋。在后篦齒封嚴(yán)盤處，用螺栓將壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與高壓渦輪轉(zhuǎn)子連接組成高壓轉(zhuǎn)子，如圖5所示。

3nbsp; " 總體參數(shù)及選材分析

根據(jù)總體性能分析和氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作轉(zhuǎn)速如表1所示，各級(jí)壓氣機(jī)盤軸溫度分布如表2所示。

根據(jù)表2，對(duì)各級(jí)轉(zhuǎn)子輪盤、葉片進(jìn)行初步選材分析。

3.1" " 高壓壓氣機(jī)1、2級(jí)整體葉盤

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子1、2級(jí)整體葉盤選用TC6α-β型兩相鈦合金，依據(jù)如下：

（1）TC6合金具有較高的室溫靜強(qiáng)度，可長(zhǎng)期工作的最高溫度是400 ℃，并具有較好的高周疲勞強(qiáng)度，被廣泛用于制造壓氣機(jī)盤和葉片等零件[12]，并且具有優(yōu)良的熱加工工藝性能，變形抗力小，塑性高，可以進(jìn)行焊接和各種方式的機(jī)械加工。

（2）借鑒國(guó)外成熟高壓壓氣機(jī)的材料選用。F414高壓壓氣機(jī)的第1、2級(jí)采用Ti17制成整體葉盤[13]，TC6和TC11的各方面力學(xué)性能與Ti17相似，是Ti17的國(guó)產(chǎn)相近牌號(hào)[14]。考慮到1、2級(jí)葉盤工作溫度較低，不高于145 ℃，TC6完全可以滿足溫度和強(qiáng)度需求，并且經(jīng)濟(jì)成本比TC11更低。

（3）TC6在國(guó)產(chǎn)渦軸、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，已被廣泛使用，具備TC6成熟的制備技術(shù)。

3.2" " 高壓壓氣機(jī)3～7級(jí)葉片與輪盤

高壓壓氣機(jī)3～7級(jí)葉片與輪盤選用TC11α-β型熱強(qiáng)鈦合金，依據(jù)如下：

（1）與TC4相比，TC11具有較好的高低周疲勞強(qiáng)度和更高的極限抗拉強(qiáng)度，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、輪盤使用[12]。

（2）TC11可長(zhǎng)期工作的最高溫度是500 ℃，并且具有較高的室溫強(qiáng)度，滿足本設(shè)計(jì)要求。

（3）借鑒國(guó)外成熟高壓壓氣機(jī)的材料選用，GE公司的高壓壓氣機(jī)第2～5級(jí)輪盤、PW4000第2～8級(jí)輪盤均選用Ti17鈦合金[12]。

（4）TC11是我國(guó)目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用量最大的鈦合金，主要用于制造壓氣機(jī)盤、鼓筒等零件，制備工藝成熟，可以滿足生產(chǎn)需求。

3.3" " 高壓壓氣機(jī)8～10級(jí)葉片

高壓壓氣機(jī)8～10級(jí)葉片選用GH4169鎳基高溫合金，依據(jù)如下：

（1）GH4169在650 ℃下具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕性能，并具有良好的加工性能，屈服強(qiáng)度高，塑性好，疲勞性能好。

（2）GE公司的某高壓壓氣機(jī)5～10級(jí)轉(zhuǎn)子葉片、CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)4～9級(jí)轉(zhuǎn)子葉片[13]均選用Inconel718。GH4169的各方面力學(xué)性能與Inconel718相似，是Inconel718的國(guó)產(chǎn)牌號(hào)。

3.4" " 高壓壓氣機(jī)8～11級(jí)輪盤

高壓壓氣機(jī)8～11級(jí)輪盤選用FGH95鎳基粉末高溫冶金，依據(jù)如下：

（1）與GH4169相比，其具備更好的低周疲勞強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和高溫抗蠕變能力。

（2）借鑒國(guó)外成熟高壓壓氣機(jī)的材料選用，GE公司的高壓壓氣機(jī)6～11級(jí)輪盤[15]、CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)4～9級(jí)輪盤均選用了Rene95。FGH95是Rene95的國(guó)產(chǎn)化牌號(hào)，可用于替代Rene95。

（3）國(guó)內(nèi)已具備FGH95輪盤的制備技術(shù)。我國(guó)目前已建立和完善了粉末高溫合金研制生產(chǎn)線，F(xiàn)GH95、FGH96粉末渦輪盤，在某小型發(fā)動(dòng)機(jī)上和三、四代發(fā)動(dòng)機(jī)上已得到使用。

4" " 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學(xué)特征分析與設(shè)計(jì)

4.1" " 剛度分析

建立高壓轉(zhuǎn)子軸系的有限元模型，如圖6所示，通過(guò)自由模態(tài)計(jì)算，分析轉(zhuǎn)子軸系的剛度薄弱環(huán)節(jié)。

求得在自由狀態(tài)下，高壓轉(zhuǎn)子400 Hz以內(nèi)的固有頻率及對(duì)應(yīng)振型如圖7所示，可見，高壓轉(zhuǎn)子第一階振動(dòng)頻率較低，僅68.7 Hz，其振型為壓氣機(jī)前軸段和渦輪軸段的局部彎曲，軸系的局部振動(dòng)明顯，這主要是高壓轉(zhuǎn)子在壓氣機(jī)前軸段和渦輪軸段處的局部剛度過(guò)低所致;第二階振動(dòng)頻率為307.9 Hz，略高于最高工作轉(zhuǎn)速頻率，其整體振型為一階彎曲，同時(shí)在7、8級(jí)壓氣機(jī)盤和渦輪軸段處存在局部彎曲，這主要是高壓轉(zhuǎn)子在7、8級(jí)壓氣機(jī)盤連接處和渦輪軸段處的局部剛度過(guò)低所致。綜上，應(yīng)重點(diǎn)在壓氣機(jī)前軸段和7、8級(jí)壓氣機(jī)盤連接處、渦輪軸段三個(gè)位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而提高轉(zhuǎn)子整體的剛度均勻性。

考慮到上述不足，在壓氣機(jī)前軸頸半徑增大3 mm，7、8級(jí)壓氣機(jī)盤連接處增大局部厚度，以提高剛性。改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在自由狀態(tài)下，400 Hz以內(nèi)的振型如圖8所示。可見，通過(guò)對(duì)兩個(gè)位置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，可以提高轉(zhuǎn)子的局部剛度薄弱環(huán)節(jié)，有效提高剛度均勻性，進(jìn)而消除了第一階局部彎曲的振動(dòng)模態(tài)，給轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)好處。

4.2" " 臨界轉(zhuǎn)速分析

在改進(jìn)結(jié)構(gòu)的高壓轉(zhuǎn)子軸系基礎(chǔ)上，借鑒成熟高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)高壓前、后支點(diǎn)的支承剛度值，并進(jìn)一步研究各支點(diǎn)支承剛度對(duì)各階臨界轉(zhuǎn)速值及共振裕度的影響規(guī)律，最終確定各支點(diǎn)的最優(yōu)支承剛度值如表3所示。

在最優(yōu)支點(diǎn)剛度時(shí)，考慮陀螺力矩影響，求得高壓轉(zhuǎn)子的Campbell圖，如圖9所示?？梢姡邏恨D(zhuǎn)子系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，共存在兩階臨界轉(zhuǎn)速，第一階臨界轉(zhuǎn)速為3 500 r/min（圖中A點(diǎn)），在慢車轉(zhuǎn)速工作時(shí)，轉(zhuǎn)速共振裕度為61.1%;第二階臨界轉(zhuǎn)速為6 795 r/min（圖中B點(diǎn)），在慢車轉(zhuǎn)速工作時(shí)，轉(zhuǎn)速共振裕度為24.5%;第三階臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速，在圖中未畫出，轉(zhuǎn)速共振裕度大于100%。

4.3" " 應(yīng)變能分析

進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在過(guò)臨界時(shí)的模態(tài)振型和應(yīng)變能分布進(jìn)行分析和評(píng)估，模態(tài)振型反映轉(zhuǎn)子在過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的軸系相對(duì)變形，應(yīng)變能分布反映過(guò)臨界時(shí)軸系的相對(duì)薄弱位置。

該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的變形及應(yīng)變能分布如圖10所示?？梢?，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，60%以上的應(yīng)變能集中于前端滾棒彈支;轉(zhuǎn)子本身的應(yīng)變能很小，總和不到10%。因此，轉(zhuǎn)子在通過(guò)一階平動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)軸系危害很小。

求得該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在過(guò)二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的變形及應(yīng)變能分布如圖11所示?？梢?，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)過(guò)第二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，70%以上的應(yīng)變能集中于后支點(diǎn);轉(zhuǎn)子本身的應(yīng)變能很小，總和不到10%。因此，轉(zhuǎn)子在通過(guò)第二階俯仰臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)軸系危害很小。

按設(shè)計(jì)的支承剛度，求得該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在過(guò)第三階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的變形及應(yīng)變能分布如圖12所示。可見，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)過(guò)第三階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，三個(gè)支承的應(yīng)變能和僅為10%;而轉(zhuǎn)子本身的應(yīng)變能很大，尤其是壓氣機(jī)后段與鼓筒軸段，兩處的應(yīng)變能總和超過(guò)了80%。對(duì)于這類振型是不允許在最高轉(zhuǎn)速范圍以內(nèi)存在的，由于此階臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的最高工作轉(zhuǎn)速，并且轉(zhuǎn)速裕度大于100%，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

5" " 結(jié)論

本文以典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為對(duì)象，通過(guò)對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的自由模態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，確定了軸系的剛度薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了整體剛度均勻性，消除了低階局部彎曲的振動(dòng)模態(tài)。分別對(duì)支承高壓轉(zhuǎn)子的三個(gè)支點(diǎn)的剛度進(jìn)行合理選取，分別為2×106、8×106、3.8×107 N/m時(shí)，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，可確保高壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，具有足夠的臨界轉(zhuǎn)速共振裕度。通過(guò)對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行應(yīng)變能分析，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過(guò)一階、二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，可確保轉(zhuǎn)子本身的應(yīng)變能總和不到10%，振動(dòng)帶來(lái)的轉(zhuǎn)子軸系損傷很小，滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

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收稿日期：2023-02-01

作者簡(jiǎn)介：陳亮（1984—），男，陜西渭南人，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。