航空發(fā)動機高壓模擬轉(zhuǎn)子自由模態(tài)分析與試驗

全 勇 ，吳桂嬌 ，黃 巍

（1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動機振動技術(shù)航發(fā)科技重點實驗室，湖南 株洲 412002；3.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海200241）

航空發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子在工作中受氣動載荷、機動載荷、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。高壓轉(zhuǎn)子動態(tài)特性和振動響應(yīng)特性對發(fā)動機性能具有顯著的影響，航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的振動分析對分析發(fā)動機整機的振動特性具有重要的意義[1-2]。某航空發(fā)動機高壓模擬轉(zhuǎn)子是為驗證某型航空發(fā)動機驗證機高壓轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計而設(shè)計、加工的模擬轉(zhuǎn)子。本文以該高壓模擬轉(zhuǎn)子為對象，進行了自由模態(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。同時研究了拆除了彈性盤、渦輪盤結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子自由模態(tài)頻率的影響。通過仿真分析與試驗結(jié)果對比為轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性試驗及轉(zhuǎn)子動力特性優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

1 模擬轉(zhuǎn)子

某型航空發(fā)動機高壓模擬轉(zhuǎn)子主要由十級模擬壓氣機盤及兩級模擬渦輪盤、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，前支點設(shè)置了帶彈性支承的擠壓油膜阻尼器，后支點為具有較強剛性的錐形支承結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子總長約為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)子計算用材料性能數(shù)據(jù)列于表1.利用ANSYS軟件對模擬進行了模態(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止口定位，軸向通過兩級渦輪盤壓緊。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)分析中分別計算了拆除彈性盤、渦輪盤對轉(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)頻率降幅甚至達到32.8%.這是因為彈性盤在兩級渦輪盤之間裝配時通過軸向壓緊力及止口定位面將兩級渦輪盤連接為一體，拆除彈性盤后兩級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。拆除彈性盤后同時將二級渦輪盤一起拆除，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%.這是因為二級渦輪盤質(zhì)量相對較大，拆除彈性盤、二級渦輪盤的總質(zhì)量降低對模態(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。通過對多種狀態(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)對于增強轉(zhuǎn)子在渦輪盤位置的局部剛度有著顯著的作用，彈性盤對轉(zhuǎn)子局部剛度的強化作用，能大幅度提升模擬轉(zhuǎn)子一彎、二彎模態(tài)頻率。同時需要注意的是在彈性盤的設(shè)計、加工及裝配過程中需要特別關(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

在高壓模擬轉(zhuǎn)子的自由模態(tài)試驗中，通過力傳感器對試驗件進行振動激勵，并將激勵載荷變換成相應(yīng)的動態(tài)信號，使用加速度傳感器獲取振動響應(yīng)信號，然后通過LMS公司的多通道模態(tài)振動試驗系統(tǒng)對振動激勵和振動響應(yīng)信號進行記錄與分析。在模態(tài)試驗中，主要進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。模擬轉(zhuǎn)子通過吊繩懸掛確保其處于自由狀態(tài)[5-7]。高壓模擬試驗照片見圖5.模態(tài)試驗結(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)試驗照片

表4 模態(tài)試驗與模態(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)試驗中未測量、記錄二階模態(tài)頻率。通過表4模態(tài)試驗數(shù)據(jù)與表3模態(tài)分析結(jié)果對比可知完整模擬轉(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)試驗得到的模態(tài)振型可知前兩階模態(tài)振型確實分別為一彎振型、二彎振型。通過試驗與計算結(jié)果的對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)動機高壓模擬轉(zhuǎn)子為對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)子實物開展了相應(yīng)的自由模態(tài)試驗得到以下結(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)對于增強轉(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，說明彈性盤、二級渦輪盤的總質(zhì)量降低對模態(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。