试验连接结构对航空发动机转子系统动力特性的影响分析

王庆平 崔巍 刘坤

摘 要：采用仿真计算和试验验证相结合的方法，研究了试验连接结构对某型航空发动机转子系统动力特性的影响。结果表明：连接结构对转子系统的一阶临界转速影响较小，对二阶、三阶临界转速影响比较明显;连接结构采用钛合金材料对转子系统和动力输入轴振动位移幅值的影响明显小于不锈钢材料。

关键词：航空发动;连接结构;转子系统;动力特性

中图分类号：V231.96 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0098-02

0 引言

航空发动机的整机振动对发动机的研制、工作可靠性和寿命等产生直接的影响[1]。统计表明航空发动机的结构强度故障90%以上是由振动导致或者与振动有关[2]，而转子——支承系统的振动和稳定性直接影响着发动机的整机振动水平。因此，对转子——支承系统的动力特性进行研究和改进，是减小发动机整机振动行之有效的方法。

影响转子系统动力特性的因素很多。弹性支承的动力特性参数，直接影响转子系统的动力特性以及整台发动机的振动水平[3-4]，且支承刚度是重要的影响因素之一[5];弹性支承与轴承外环之间的挤压油膜，对整个转子系统可以起到较好的减振效果[6-9];试验研究时转子系统与试验台之间的连接结构也对转子系统的动力特性产生不可忽略的影响[10]。

本文针对某型航空发动机转子系统，通过仿真计算和试验验证结合的方法，研究转子系统与试验台之间的连接结构对转子系统动力特性的影响。

1 转子系统简介

某型航空发动机转子系统主要由轴流叶轮、离心叶轮、两级燃气涡轮、中心拉杆以及转子与试验台连接的套齿、连接环等组成，转子组件之间采用圆弧端齿定心、定位，通过中心拉杆施加预紧力连接在一起，其结构简图如图1所示。

2 有限元模型及计算结果

2.1有限元模型

本文为了分析有无套齿和连接环（连接结构），以及使用不同材料对转子系统动力学特性的影响，建立了有限元仿真计算模型。有限元模型采用八节点四边形单元，前后两个弹性支承使用轴承单元模拟，采用集中质量单元模拟叶片及部分轮盘、导流盘等。有无连接结构的有限元模型如图2和图3所示。

2.2计算结果

前、后弹支刚度分别取1.8×107N/m和4.9×107N/m，有无连接结构以及连接结构分别采用不锈钢和钛合金（TC4）材料时，转子系统的动力特性计算结果见表1;有无连接结构转子系统的振型基本一致，本文仅给出有连接结构转子系统的振型图，如图4～图6所示。

分析图4～图6可知，转子系统一阶振型为平动，二阶振型为摆动，三阶振型为弯曲。

分析表1可知，有连接结构时，转子系统各阶临界转速裕度均有较明显的降低，最小降低约4.1%，最大降低约38%。连接结构使用不锈钢或者钛合金材料，对转子系统的一阶临界转速基本无影响;二阶临界转速裕度仅有14.5%和9.2%，不满足转子临界转速裕度要求[11]，由于转子系统工作时不在此转速范围内长时间停留，影响相对较小;连接结构采用不锈钢材料时，转子系统的三阶临界转速裕度仅1.7%，无法满足使用要求，采用钛合金材料时，三阶临界转速裕度有13.3%的裕度，在做好振动监测的前提下，可以进行相关转子系统动力特性试验。

仿真计算结果为后续的转子系统动力特性试验提供了设计参考和依据。

3 试验验证

3.1试验器简介

试验使用的高速转子动力特性试验器，具有转速控制精度高，参数测试精度高等优点。在前、后轴承座安装加速度传感器和位移传感器测量转子系统的振动加速度和振动位移幅值，使用应变计和温度传感器监测轴承的应力和温度。试验器安装及测试示意如图7所示。

“⊥”表示垂直方向，“=”表示水平方向;A1～A4为加速度传感器，D1为振动位移传感器，S1～S4为测量弹支应力的应变计，T1～T2为轴承温度传感器。

3.2试验结果及分析

使用高速转子动力特性试验器，针对连接结构采用不锈钢材料和钛合金材料转子系统，分别开展了动力特性试验研究。试验结果如图8～图12所示。

分析图8～图11可知，连接结构采用不锈钢或者钛合金材料时，转子系统的一阶临界转速基本相同，均在10000rpm左右，二阶临界转速分别约为21000rpm和23200rpm，与仿真计算结果一致。转子系统过一阶临界转速时，振动较小，过二阶临界转速时，采用不锈钢材料连接结构的转子系统有明显的振动增大现象，且出现多个振动尖峰，而采用钛合金材料连接结构的转子系统，振动位移幅值较小且变化比较平稳，未出现明显振动尖峰。

分析图12可知，连接结构采用钛合金材料时，动力输入轴的振动位移幅值明显低于不锈钢材料，且变化比较平稳。采用不锈钢连接结构的转子系统，在转速27500rpm时，由于动力输入轴的振动位移幅值超限，导致试验无法继续。

4 结论

通过仿真计算和试验验证，研究了采用不同材料的连接结构对转子系统动力特性的影响，得到主要结论如下：

（1）有无连接结构，以及连接结构采用不同材料，对转子系统的一阶临界转速影响较小，对二阶和三阶临界转速有较明显的影响;

（2）连接结构采用不锈钢或者钛合金材料时，转子系统和动力输入轴的振动位移幅值相差较大，钛合金材料明显小于不锈钢材料;

（3）在设计转子系统与试验台的连接结构时，在满足结构强度的前提下，应选择密度小重量轻的材料和结构，以减小对转子系统的影响。

参考文献

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[5] 张大义，母国新，洪杰.航空发动机转子支承系统刚度计算中的几个问题[J].战术导弹技术，2015（2）：20-23.

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[11] 航空发动机设计手册 第19册 转子动力学及整机振动[M].北京：航空工业出版社，2000.