聯(lián)接螺栓對鼓筒轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速影響的研究

劉元周， 宋志佳， 曹慶宇， 徐升

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引 言

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子一般通過聯(lián)接結(jié)構(gòu)將不同轉(zhuǎn)子段聯(lián)接起來，常用的聯(lián)接結(jié)構(gòu)有拉桿聯(lián)接結(jié)構(gòu)、螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)和無螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)。螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)憑借結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、可操作性強(qiáng)、聯(lián)接性能良好的特點[1]，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)接結(jié)構(gòu)中。航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子作為高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，且工作環(huán)境復(fù)雜，航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子在達(dá)到工作轉(zhuǎn)速之前，會經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近，會發(fā)生劇烈的振動現(xiàn)象，臨界轉(zhuǎn)速作為航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一個重要設(shè)計參數(shù)，因此研究聯(lián)接螺栓結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響具有重要意義[2]。但目前在轉(zhuǎn)子設(shè)計過程中，一般忽視螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)對所在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響。

目前，研究螺栓聯(lián)接對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有特性的影響的文獻(xiàn)資料依然很少。欒宇[3]通過實驗與仿真計算的方法研究了螺栓法蘭聯(lián)接的軸向靜力響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)聯(lián)接結(jié)構(gòu)存在明顯的軸向拉壓剛度不同特性；劉卓乾[4]分別從徑向變形、軸向變形和彎曲變形研究了螺栓聯(lián)接的振動特性；趙丹[5]以某型航空發(fā)動機(jī)螺栓聯(lián)接轉(zhuǎn)子為研究對象，通過數(shù)值仿真的方法研究了螺栓聯(lián)接對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響。

本文針對螺栓聯(lián)接對鼓筒轉(zhuǎn)子系統(tǒng)影響，建立了螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子模型，利用ANSYS Workbench軟件從螺栓數(shù)量、螺栓直徑和螺栓預(yù)緊力3個方面分析了聯(lián)接螺栓對鼓筒轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響。

1 螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子模型

根據(jù)航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子分段裝配的特點，以一種螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為例，建立螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子模型如圖1所示，鼓筒轉(zhuǎn)子模型的兩端為軸承簡化的彈性支承，并理想地將軸承簡化的彈性支撐視為線性，無交叉剛度和阻尼。鼓筒轉(zhuǎn)子模型總長度為930 mm，軸長度為375 mm，軸直徑為φ40 mm，安放軸承處直徑為φ35 mm，盤直徑為φ360 mm，厚度為10 mm，鼓筒直徑為φ360 mm，筒壁厚度為5 mm，每個盤與鼓筒之間可以布置16個螺栓。螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子模型材料選用45鋼，材料的彈性模量取209 GPa，泊松比取0.3，密度取7850 kg/m3。利用ANSYS Workbench 軟件中Modal模塊進(jìn)行仿真計算，計算過程中涉及的螺栓面與盤面、螺母面與鼓筒面之間的面接觸、盤與鼓筒之間的接觸面均設(shè)置為摩擦接觸。

2 螺栓數(shù)量對臨界轉(zhuǎn)速的影響

首先對盤與鼓筒緊固的鼓筒轉(zhuǎn)子進(jìn)行仿真計算，獲取鼓筒轉(zhuǎn)子的前3階臨界轉(zhuǎn)速。然后取螺栓直徑為φ8 mm，螺栓預(yù)緊力為5000 N，每個盤與鼓筒之間的螺栓數(shù)量分別為4、8、16的三種情況進(jìn)行仿真計算，取前3階臨界轉(zhuǎn)速研究螺栓數(shù)量對臨界轉(zhuǎn)速的影響。臨界轉(zhuǎn)速在不同螺栓數(shù)量下的比較如表1所示。

表1 不同螺栓數(shù)量下臨界轉(zhuǎn)速的比較 r/min

由表1可以看出，采用不同螺栓數(shù)量聯(lián)接的鼓筒轉(zhuǎn)子前3階臨界轉(zhuǎn)速均小于鼓筒轉(zhuǎn)子剛性簡化后的前3階臨界轉(zhuǎn)速；在相同螺栓直徑和螺栓預(yù)緊力的條件下，第1階臨界轉(zhuǎn)速和第2階臨界轉(zhuǎn)速隨著螺栓數(shù)量的增加不斷增大，8組螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子前2階臨界轉(zhuǎn)速與4組螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子前2階臨界轉(zhuǎn)速相比大約升高34 r/min，16組螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子前2階臨界轉(zhuǎn)速與8組螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子前2階臨界轉(zhuǎn)速相比，大約升高4 r/min，臨界轉(zhuǎn)速的增長幅度減小；第3階臨界轉(zhuǎn)速隨著螺栓數(shù)量的增加而減小，8組螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子第3階臨界轉(zhuǎn)速與4組螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子第3階臨界轉(zhuǎn)速相比，大約降低68 r/min，16組螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子第3階臨界轉(zhuǎn)速與8組螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子第3階臨界轉(zhuǎn)速相比，大約降低42 r/min；臨界轉(zhuǎn)速的降低幅度減小。這是因為增加螺栓數(shù)量增加了盤與鼓筒聯(lián)接觸處的數(shù)量，改變了鼓筒轉(zhuǎn)子的固有頻率，影響了鼓筒轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

3 螺栓直徑對臨界轉(zhuǎn)速的影響

取每個盤與鼓筒之間的螺栓數(shù)量為8，螺栓預(yù)緊力為5000 N，螺栓直徑分別為φ8、φ10、φ12 mm的三種情況進(jìn)行仿真計算。選取前3階臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究螺栓數(shù)量對臨界轉(zhuǎn)速的影響。臨界轉(zhuǎn)速在不同螺栓直徑下的比較如表2所示。

表2 不同螺栓直徑下臨界轉(zhuǎn)速的比較 r/min

由表2可以看出，采用不同螺栓直徑聯(lián)接的鼓筒轉(zhuǎn)子前3階臨界轉(zhuǎn)速均小于鼓筒轉(zhuǎn)子剛性簡化后的前3階臨界轉(zhuǎn)速；在相同螺栓數(shù)量和螺栓預(yù)緊力的條件下，鼓筒螺栓轉(zhuǎn)子的前3階臨界轉(zhuǎn)速隨螺栓直徑的增大而增大，螺栓直徑φ10 mm轉(zhuǎn)子的前3階臨界轉(zhuǎn)速與螺栓直徑φ8 mm轉(zhuǎn)子的前3階臨界轉(zhuǎn)速相比，臨界轉(zhuǎn)速均有所升高，但均低于螺栓直徑φ12 mm轉(zhuǎn)子的前3階臨界轉(zhuǎn)速與螺栓直徑φ10 mm轉(zhuǎn)子的前3階臨界轉(zhuǎn)速的升高幅度，臨界轉(zhuǎn)速的增長幅度增加。這是因為增大螺栓直徑將增加螺栓聯(lián)接處的接觸剛度，影響了鼓筒轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

4 螺栓預(yù)緊力對臨界轉(zhuǎn)速的影響

取螺栓直徑為φ8 mm，每個盤與鼓筒之間的螺栓數(shù)量為8，為明顯區(qū)分螺栓預(yù)緊力對臨界轉(zhuǎn)速的影響，螺栓預(yù)緊力分別選取為1000、3000、5000 N的三種情況進(jìn)行仿真計算。選取前3階臨界轉(zhuǎn)速研究不同螺栓預(yù)緊力下的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。在不同螺栓預(yù)緊力下臨界轉(zhuǎn)速的比較如表3所示。

表3 不同螺栓預(yù)緊力下臨界轉(zhuǎn)速的比較 r/min

由表3可以看出，前3階臨界轉(zhuǎn)速隨著螺栓預(yù)緊力的增大均不斷增大，但均小于轉(zhuǎn)子剛性簡化結(jié)構(gòu)的臨界轉(zhuǎn)速。這是因為螺栓預(yù)緊力影響聯(lián)接處的松緊程度，接觸面間提高預(yù)緊力增加了鼓筒轉(zhuǎn)子的整體剛度，使鼓筒轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速不斷增大。

5 結(jié) 論

本文以一種螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子為例，采用ANSYS Workbench中模態(tài)分析模塊研究了聯(lián)接螺栓對鼓筒轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響情況，得到如下的結(jié)論：1）采用螺栓聯(lián)接的鼓筒轉(zhuǎn)子同剛性簡化鼓筒轉(zhuǎn)子相比，螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子的剛度較低，在低轉(zhuǎn)速時，鼓筒轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速會降低；2）增加螺栓數(shù)量改變了鼓筒轉(zhuǎn)子螺栓聯(lián)接處的剛度，改變了鼓筒轉(zhuǎn)子的固有頻率，影響了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速；3）增大螺栓直徑將增加螺栓聯(lián)接的剛度，當(dāng)鼓筒轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時，螺栓直徑越大轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速越大；4）螺栓預(yù)緊力越大，接觸面間的接觸剛度越大，鼓筒轉(zhuǎn)子的剛度越大，其臨界轉(zhuǎn)速越大；5）在不考慮螺栓聯(lián)接影響的情況下分析螺栓聯(lián)接鼓筒轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，會使分析的臨界轉(zhuǎn)速偏大。