航空发动机动力涡轮转子动力学分析与试验研究

2022-08-16舒斯荣

中国科技纵横 2022年13期

舒斯荣

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

航空发动机转子结构复杂、负荷大、工作转速高，工作条件极端恶劣，使其动力学特性具有较大的不确定性。因此，初始的转子设计直接应用到发动机上可能存在较大的风险，工程上往往会在设计之初按照结构和动力学相似原理搭建相应的模拟转子（连接结构、支承布局、质量惯性等与真实转子基本保持一致）进行动力学分析和验证[1-7]。中小型航空发动机核心机工作转速通常高达40000RPM～60000RPM，远高于常见的大型军用和商用航空发动机，基于此，转子动力学设计在中小型航空发动机研制的过程中显得尤为关键，合理的临界转速设计则是转子动力学设计的最基本要求。为了满足转子的临界转速裕度要求，常用的方法有选择恰当的支承刚度、改变质量分布、优化转子结构等。采用弹性支承是改变航空发动机转子临界转速较为便捷的一种方法，并在很多航空发动机转子动力学设计中得到了应用。弹性支承分为鼠笼式弹性支承和弹性环式弹性支承，两者各有优缺点，目前，鼠笼式弹性支承的应用较广。然而，计算模型的准确性、临界转速设计以及转子动力学设计的合理性需要通过试验研究确定。

本文通过建立动力涡轮模拟转子有限元计算模型，对转子的动力特性进行了系统分析，并开展了动力涡轮模拟转子试验研究，同时对比了计算结果和试验结果，为真实转子的动力学分析和试验奠定了坚实的基础。

1.转子结构简介

动力涡轮模拟转子结构示意图见图1。整个转子主要由动力涡轮轴、动力涡轮一级模拟盘、动力涡轮二级盘模拟盘等零部件组成。转子动力涡轮轴采用空心结构，同时为了保证动力涡轮模拟转子的动力特性与真实动力涡轮转子动力特性保持基本一致，设计的动力涡轮模拟盘的质心位置、质量、转动惯量均与真实盘具有良好的一致性。转子共4个支点，分别为“轴承1”“轴承2”“轴承6.5”及“轴承7”，其中，“轴承1”为球轴承，“轴承2”“轴承6.5”和“轴承7”均为滚棒轴承。动力涡轮模拟转子是一个细长、空心结构的柔性转子。

该动力涡轮模拟转子2号采用鼠笼式弹性支承，其刚度主要受鼠笼弹条长度、宽度和油膜间隙等参数影响。鼠笼式弹性支承结构见图2，图2 中，a1为法兰边。

2.有限元分析模型

2.1 集中质量

为了建模方便，在建模时，将动力涡轮一级模拟盘和动力涡轮二级模拟盘的部分盘体用集中质量代替，使用集中质量模拟部分盘体，用集中质量模拟的部分动力涡轮一级盘和动力涡轮二级盘的质量、极转动惯量、直径转动惯量等质量特性见表1。

表1 集中质量特性

2.2 支承刚度

动力涡轮模拟转子共有4个支点，计算时各支承刚度见表2。

表2 支承刚度

2.3 有限元模型

对转子模型进行前处理，简化结构，忽略倒角、螺纹孔、圆角等一些细小的局部结构。运用软件PATRAN基于梁单元对模型进行网格划分，然后借助分析软件SAMCEF/ROTOR完善计算模型（主要包括集中质量单元、轴承单元以及不平衡量单元的建立），用轴承单元模拟动力涡轮模拟转子的各个轴承、集中质量单元模拟两级动力涡轮模拟盘的部分盘体、梁单元模拟动力涡轮模拟转子的主体部分。模型共有708个梁单元，717个节点，2个集中质量单元以及4个轴承单元，建立了动力涡轮模拟转子有限元分析模型，见图3。

图3 动力涡轮模拟转子有限元分析模型

3.动力特性计算结果

在表2的支承刚度条件下，对动力涡轮模拟转子前三阶临界转速和前三阶振型进行计算分析，计算结果见表3，振型见图4。

表3 前三阶临界转速计算结果

图4 动力涡轮模拟转子前三阶振型

从表3和图4可知，在整个工作转速范围内，动力涡轮模拟转子存在两阶弯曲临界转速，即动力涡轮模拟转子跨两阶临界转速工作，前三阶临界转速的裕度均大于20%，满足设计要求；动力涡轮模拟转子前三阶振型均为弯曲振型，动力涡轮轴细长是造成转子发生弯曲变形的主要原因。

4.试验研究

试验在卧式高速旋转试验器上进行，试验器主要由控制系统、润滑系统、拖动系统、真空系统和支承系统组成，在试验过程中，由电机驱动通过浮动轴带动转子旋转，实现动力输入。试验在真空环境下进行，通过真空泵对真空仓事先抽至真空状态，然后再进行试验。试验过程中通过光电传感器、电涡流位移传感器、加速度传感器分别测量转子转速、转子挠度、支座和转接段上的振动加速度。动力涡轮模拟转子在试验器上的安装及测试示意图如图5所示（图中：“⊥”表示垂直方向，“＝”表示水平方向；D1-D4为位移传感器），主要在转子动力轴上布置4个位移传感器，测量试验过程中的振动位移。