對轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)模擬低壓轉(zhuǎn)子動力特性研究

鄧旺群，唐 廣，舒斯榮，郭飛躍

（航空動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

1 引言

現(xiàn)代中小型航空發(fā)動機(jī)性能日益提高，必然要求發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高，從而使得轉(zhuǎn)子朝著長徑比越來越大、越來越“柔”的方向發(fā)展。因此，在設(shè)計及發(fā)展過程中，轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題的重要性大為增加，可以說，轉(zhuǎn)子動力學(xué)技術(shù)在某種程度上已成為決定發(fā)動機(jī)總體方案設(shè)計、發(fā)動機(jī)研制的關(guān)鍵因素。如某新型對轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子在達(dá)到額定工作轉(zhuǎn)速之前需跨越3階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題十分突出，這種方案是否可行成為研制開始階段就必須解決的重要問題。為此，設(shè)計加工了1個模擬低壓轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題進(jìn)行試驗驗證。

本文針對該模擬低壓轉(zhuǎn)子的動力特性開展理論和試驗研究，用SAMCEF/ROTOR大型分析軟件建立了模擬低壓轉(zhuǎn)子動力特性的有限元計算模型，計算得到了轉(zhuǎn)子的前4階臨界轉(zhuǎn)速值和前4階振型圖，并在高速旋轉(zhuǎn)試驗器上完成了模擬低壓轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動力特性驗證試驗。

2 計算模型及原始數(shù)據(jù)

2.1 計算模型

用SAMCEF/ROTOR分析軟件建立的轉(zhuǎn)子有限元計算模型如圖1所示。模擬風(fēng)扇盤在圖1中未顯示的部分用集中質(zhì)量單元來模擬，用軸承單元模擬轉(zhuǎn)子支承，用梁單元模擬轉(zhuǎn)子主體。整個計算模型共包含269個梁單元、579個節(jié)點、3個軸承單元和1個集中質(zhì)量單元。

2.2 計算原始數(shù)據(jù)

2.2.1 材料及性能

計算用到的材料及性能數(shù)據(jù)[1,2]見表1。

2.2.2 集中質(zhì)量

部分模擬風(fēng)扇盤作為集中質(zhì)量處理，見表2。

表1 材料性能

表2 集中質(zhì)量特性

2.2.3 支承剛度

在計算過程中，中間軸承的剛度取5.0×107N/m，前、后軸承位置均有鼠籠式彈性支承，實測的彈支剛度值分別為：前彈性支承（靠近模擬風(fēng)扇盤）的剛度為7.85×106N/m，后彈性支承（靠近模擬低壓渦輪盤）的剛度為7.00×106N/m。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 臨界轉(zhuǎn)速

模擬低壓轉(zhuǎn)子前4階臨界轉(zhuǎn)速計算值及裕度見表3。

表3 臨界轉(zhuǎn)速計算值及裕度

在表3中，臨界轉(zhuǎn)速裕度定義為（下同）

從計算結(jié)果可知：（1）轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在3階臨界轉(zhuǎn)速；（2）各階臨界轉(zhuǎn)速對額定工作轉(zhuǎn)速的裕度均大于35%，滿足設(shè)計準(zhǔn)則[3]的要求；（3）轉(zhuǎn)子的第4階臨界轉(zhuǎn)速相對于額定工作轉(zhuǎn)速的裕度遠(yuǎn)大于第3階臨界轉(zhuǎn)速相對于額定工作轉(zhuǎn)速的裕度，因此，轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速下主要受第3階模態(tài)的影響。

3.2 振型

模擬低壓轉(zhuǎn)子的前4階振型如圖2～5所示。

從前4階振型圖明顯看出，模擬低壓轉(zhuǎn)子雖然是兩端帶彈性支承的轉(zhuǎn)子，但沒有真正意義上的剛體振型，全部為彎曲振型，造成這種結(jié)果的主要原因是由于低壓軸非常細(xì)長、剛性較小，從而使得轉(zhuǎn)子是1個非常柔性的轉(zhuǎn)子，嚴(yán)格來說，是1個帶細(xì)長柔性軸的柔性轉(zhuǎn)子。

4 動力特性試驗

4.1 試驗簡介

模擬低壓轉(zhuǎn)子的動力特性試驗在臥式高速旋轉(zhuǎn)試驗器上進(jìn)行，試驗器的設(shè)計轉(zhuǎn)速和功率均滿足試驗要求，帶真空系統(tǒng)，滑油為8號和20號航空潤滑油按一定比例的混合油，動力通過兩端帶花鍵的浮動軸從模擬渦輪盤端輸入。試驗過程中測量轉(zhuǎn)子撓度、支座振動加速度和彈支應(yīng)變，撓度測試儀器采用德國Schenck公司生產(chǎn)的VP-41振動分析儀，加速度由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得，應(yīng)變由國產(chǎn)VIB2040專用振動應(yīng)力測試儀和奧地利DEWE-3020動態(tài)信號記錄分析儀測得。在試驗過程中，轉(zhuǎn)子的安裝及測試示意圖如圖6所示，在試驗器上的實物照片如圖7所示。

4.2 試驗結(jié)果

由位于同一軸截面的垂直方向位移傳感器D3和水平方向位移傳感器D4測得的幅值-轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示（因篇幅有限，本文未給出D1和D2傳感器測得的相應(yīng)曲線）。

4.3 結(jié)果分析

從圖8可知：（1）模擬低壓轉(zhuǎn)子在運行到額定工作轉(zhuǎn)速的過程中越過了3階臨界轉(zhuǎn)速，在圖中均對應(yīng)有3個明顯的共振峰值；（2）圖中的共振峰值說明在臨界轉(zhuǎn)速下低壓軸發(fā)生了明顯的彎曲變形，說明轉(zhuǎn)子的各階振型確屬彎曲振型；（3）模擬低壓轉(zhuǎn)子在80%～100%額定工作轉(zhuǎn)速區(qū)域有1個振幅反復(fù)震蕩的過程，原因尚不清楚，有待今后深入研究。

前3階臨界轉(zhuǎn)速試驗值及裕度見表4。

表4 臨界轉(zhuǎn)速試驗值及裕度

從表4可知：模擬低壓轉(zhuǎn)子的前3階臨界轉(zhuǎn)速相對于額定工作轉(zhuǎn)速的預(yù)度均在25%以上，滿足設(shè)計準(zhǔn)則[3]對臨界轉(zhuǎn)速的要求，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計合理。

利用表3和表4中的數(shù)據(jù)對臨界轉(zhuǎn)速的計算誤差進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

表5 計算誤差

計算誤差定義為

從表5可知：模擬低壓轉(zhuǎn)子第1～3階臨界轉(zhuǎn)速的計算誤差分別為（15.77～21.33）%、9.67%和（2.18～7.28）%，高階臨界轉(zhuǎn)速的計算誤差相對較小。事實上，如考慮到試驗轉(zhuǎn)子的實際狀態(tài)很難與計算條件完全一致以及開車加速度與測量誤差的影響，計算值和試驗值總體來說比較一致，此外，轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生了明顯的彎曲變形也與計算出的振型相吻合，說明計算模型能真實地反映出轉(zhuǎn)子的動力特性。

5 結(jié)論

本文建立了對轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)模擬低壓轉(zhuǎn)子的有限元計算模型，計算得到了轉(zhuǎn)子的前4階臨界轉(zhuǎn)速值和前4階振型圖，并在高速旋轉(zhuǎn)試驗器上完成了全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動力特性試驗。研究結(jié)果表明：

（1）模擬低壓轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在3階臨界轉(zhuǎn)速，并且各階臨界轉(zhuǎn)速相對于額定工作轉(zhuǎn)速的裕度均滿足設(shè)計準(zhǔn)則的要求，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計合理。

（2）模擬低壓轉(zhuǎn)子的各階振型均為彎曲振型，沒有真正意義上的剛體模態(tài)，是1個十分典型的帶柔性軸的柔性轉(zhuǎn)子。

（3）建立的計算模型經(jīng)試驗驗證能反映出轉(zhuǎn)子的真實狀況。

[1]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊（第1卷）:結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[2]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊（第2卷）:變形高溫合金、鑄造高溫合金[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[3]航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊總編委會.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊(第19冊):轉(zhuǎn)子動力學(xué)及整機(jī)振動[M].北京:航空工業(yè)出版社，2001.