拉桿對高速柔性轉子動力特性的影響

聶衛健，鄧旺群，何 萍，郭天才，楊 海

（1.中國航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發動機振動技術航空科技重點實驗室，湖南 株洲 412002）

拉桿對高速柔性轉子動力特性的影響

聶衛健1,2，鄧旺群1,2，何 萍1，郭天才1,2，楊 海1,2

（1.中國航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發動機振動技術航空科技重點實驗室，湖南 株洲 412002）

針對采用兩種不同拉桿方案的低壓轉子，分別建立有限元分析模型，在4種組合支承剛度下，運用SAMCEF/ROTOR分析軟件完成低壓轉子的動力特性（臨界轉速、振型及穩態不平衡響應）計算，通過對比分析得到拉桿對低壓轉子動力特性的影響。研究表明：長拉桿方案和短拉桿方案對低壓轉子的前三階臨界轉速和前兩階振型沒有實質性的影響，但對第三階振型和穩態不平衡響應有顯著影響。研究結果為某小型渦扇發動機工程設計階段的低壓轉子結構設計提供了參考。

振動與波；渦扇發動機；低壓轉子；動力特性；不同拉桿方案；有限元法

中小型航空發動機轉子的長徑比越來越大，越來越“柔”，結構也越來越復雜。在發動機的方案設計階段，常常會對不能確定的轉子構件進行多種方案的設計，并對不同方案的轉子進行系統的動力特性計算，通過對比分析，選取一種比較理想的轉子設計方案。目前在建立復雜轉子動力特性的計算模型時普遍采用有限元法。鄧旺群運用有限元法建立了航空發動機轉子的有限元計算模型，基于動力特性計算結果分析了主要零部件對轉子動力特性的影響[1-3]。陳鐵鋒等采用有限元法對雙裂紋轉子振動特性進行了仿真分析并開展了實驗研究[4]。支承剛度是影響轉子系統臨界轉速的主要因素。梅慶等闡述了雙支承臥式轉子的支承布置對轉子動力特性的影響[5]。焦旭東等研究了帶擠壓油膜阻尼器雙盤轉子的動力學響應和支承優化問題，得到了轉子在工作轉速下支承的最佳剛度[6]。

本文以某小型渦扇發動機方案設計階段的低壓轉子為研究對象，分別建立了該低壓轉子采用兩種不同拉桿方案（長拉桿方案和短拉桿方案）時的有限元分析模型，在4組支承剛度條件下，分別計算了采用兩種不同拉桿方案時低壓轉子的動力特性，通過對比分析得到了拉桿長短對低壓轉子動力特性的影響。

1 采用兩種不同拉桿方案的低壓轉子結構簡介

采用兩種拉桿方案的低壓轉子結構分別如圖1、圖2所示，采用兩種方案的低壓轉子除了拉桿長度不一樣之外，其他結構沒有明顯的不同。整個轉子由進氣錐、兩級風扇葉片盤、兩級增壓級葉片盤、兩級低壓渦輪葉片盤、風扇軸、拉桿、低壓渦輪軸等零部件組成。低壓轉子采用4支點的支承方案，軸承編號與發動機中軸承編號一致，低壓壓氣機轉子由2個支點支承，均設置在壓氣機后端，前支點（1號軸承）為滾珠軸承（止推軸承），后支點（2號軸承）為滾棒軸承，風扇葉片盤端懸臂；低壓渦輪轉子由2個支點支承，前支點（5號軸承）設置在一級渦輪葉片盤前，后支點（6號軸承）設置在二級渦輪葉片盤后，5號軸承和6號軸承均為滾棒軸承。

圖1 短拉桿低壓轉子結構簡圖

圖2 長拉桿低壓轉子結構簡圖

2 低壓轉子零部件材料

采用兩種不同拉桿方案的低壓轉子在結構上除了拉桿的長短不一樣外，其他結構基本相同，各零部件的材料也是一樣的。主要零部件材料屬性見表1。

表1 主要零部件材料屬性

3 有限元分析模型

針對低壓轉子的結構特點，用面單元建立了低壓轉子的有限元分析模型，模型共計6個集中質量單元、4個軸承單元和3個不平衡量單元。各集中質量單元的特性見表2，采用兩種不同拉桿方案的低壓轉子有限元分析模型分別見圖3、圖4。在建立有限元分析模型時，對轉子結構進行了一些簡化，忽略了一些細小的局部結構（如倒角、小孔等）。計算不平衡響應時，假設在1號凸臺、2號凸臺和3號凸臺上都施加1×10-6kg·m的不平衡量。

表2 集中質量特性

圖3 短拉桿方案低壓轉子有限元模型

圖4 長拉桿方案低壓轉子有限元模型

4 支承剛度

針對1號、2號、5號和6號支承，選用了四組支承剛度進行了動力特性計算，各組的支承剛度值見表3。

表3 支承剛度組合表/107N/m

5 計算結果及分析

5.1 對臨界轉速的影響

在四組支承剛度情況下，對采用短拉桿方案和長拉桿方案低壓轉子的前3階臨界轉速分別進行了計算，計算結果見表4。表中，轉速1為采用短拉桿方案的低壓轉子的臨界轉速，轉速2為采用長拉桿方案的低壓轉子的臨界轉速。臨界轉速的變化率計算公式如下：

表4 采用短拉桿方案和長拉桿方案低壓轉子的前3階臨界轉速

從表4可以看出：在四組支承剛度情況下，采用短拉桿方案和長拉桿方案低壓轉子的各階臨界轉速的變化率均在0.24%～2.02%之間，表明拉桿的長短對低壓轉子的前3階臨界轉速沒有實質性的影響。

5.2 對振型的影響

在四組支承剛度下，對采用短拉桿方案和長拉桿方案低壓轉子的前3階振型進行了計算，計算結果見表5。

從表5可以看出：在四組支承剛度情況下，采用短拉桿方案和長拉桿方案低壓轉子的前2階振型無明顯差異，而采用短拉桿方案低壓轉子第三振型的彎曲程度比采用長拉桿方案低壓轉子第3階振型的彎曲程度要大，表明拉桿的長短對低壓轉子的前兩階振型沒有實質性的影響，而對第3階振型有一定影響。

表5 采用短拉桿方案和長拉桿方案低壓轉子的前3階振型

5.3 對不平衡響應的影響

在四組支承剛度情況下，當1號、2號和3號凸臺上同時施加1×10-6kg·m的不平衡量時，計算得到了風扇一級葉片盤、風扇二級葉片盤、增壓一級葉片盤、增壓二級葉片盤、1號凸臺、2號凸臺、3號凸臺、渦輪一級盤和渦輪二級盤的前3階穩態不平衡響應，分別見表6、表7和表8。

表6 1階穩態不平衡響應值/10-6m

從表6至表8可以看出：總體來看，采用短拉桿方案的低壓轉子各階穩態不平衡響應值要比采用長拉桿方案低壓轉子的各階穩態不平衡響應值大，即采用短拉桿方案的低壓轉子對不平衡量更為敏感。

6 結語

在四組支承剛度情況下，對采用短拉桿方案和長拉桿方案低壓轉子的前3階臨界轉速、前3階振型和9個特征位置的前3階穩態不平衡響應分別進行了計算，并對兩種拉桿方案的計算結果進行了對比分析，主要研究結論如下：

表7 2階穩態不平衡響應值/10-6m

表8 3階穩態不平衡響應值/10-6m

（1）拉桿的長短對低壓轉子的臨界轉速沒有實質性的影響；

（2）拉桿的長短對低壓轉子的前兩階振型沒有實質性的影響，但采用短拉桿方案低壓轉子第3階振型的彎曲程度比采用長拉桿方案低壓轉子第3階振型的彎曲程度要大，從增加低壓轉子的抗彎能力出發，宜優先采用長拉桿方案；

（3）總體來說，采用短拉桿方案的低壓轉子各階穩態不平衡響應值要比采用長拉桿方案低壓轉子的各階穩態不平衡響應值大，即采用短拉桿方案的低壓轉子對不平衡量更為敏感，從減小發動機整機振動和降低轉子高速動平衡難度出發，宜優先采用長拉桿方案。

[1]鄧旺群，郭飛躍，高德平.裝實心和空心傳動軸的動力渦輪轉子動力特性對比研究[J].航空發動機，2005，31(1)：6-9+27.

[2]鄧旺群，郭飛躍，高德平.高速柔性轉子的主要零部件對其動力特性的影響[J].機械強度，2006，28(6)：813-819.

[3]鄧旺群.航空發動機柔性轉子動力特性及高速動平衡試驗研究[D].南京：南京航空航天大學，2006.

[4]陳鐵峰，荊建平，孟光，等.雙裂紋轉子振動特性的有限元和實驗研究[J].噪聲與振動控制，2010，30(5)：15-19.

[5]梅慶，歐園霞.支承布置對雙支承轉子動力特性的影響[J].振動工程學報，2004，17(S)：156-158.

[6]焦旭東，秦衛陽，孫濤，等.帶擠壓油膜阻尼器雙盤轉子動力學響應與支承優化[J].噪聲與振動控制，2013，33(5)：1-3.

Influence of Different Draw-bars on Dynamic Characteristics of a High Speed Flexible Rotor

NIE Wei-jian1,2,DENG Wang-qun1,2,HE Ping1, GUO Tian-cai1,2,YANG Hai1,2
(1.ChinaAviation Powerplant Research Institute,Zhuzhou 412002,Hunan China; 2.Aviation Key Laboratory ofAero-engine Vibration Technology,Zhuzhou 412002,Hunan China)

Finite element models of a low-pressure rotor with two different draw-bars were set up respectively.The dynamic characteristics,including critical speeds,vibration modes and stable unbalance responses,of the rotor with four different supporting stiffness conditions were calculated by SAMCEF/ROTOR software.The influence of different drawbars on the dynamic characteristics of the rotor was analyzed according to the calculation results.The results show that the length of the draw-bar has no influence on the first three-order critical speeds and the first two-order vibration modes of the low-pressure rotor,but has remarkable influence on the third vibration mode and stable unbalance responses.This work may provide a reference for structure design of the low-pressure rotor.

vibration and wave;turbofan engine;low-pressure rotor;dynamic characteristics;different draw-bar; finite element method

V231.92

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.029

1006-1355(2015)03-0135-05

2014－12－12

航空科學基金（20112108001和2013ZB08001）

聶衛健（1991－），男，江西省撫州市人，碩士生，主要研究方向：航空發動機結構強度與振動研究。

鄧旺群（1967－），男，碩士生導師。E-mail:hnzzdwq@163.com。