某型渦軸發動機整機振動特性分析

摘要：渦軸航空發動機整機振動使發動機結構受到巨大的振動應力，對航空發動機的工作狀態、航空發動機附件及相關儀表的工作狀態造成諸多影響，會降低航空發動機的可靠性。本文針對某型渦輪軸航空發動機的結構特點，進行整機振動特性分析，對轉子與機匣進行固有特性分析。對轉子支承、轉子葉片及靜子葉片進行計算模型簡化處理;分析轉子臨界轉速、固有模態，并計算工作轉速相對于臨界轉速的裕度;分析機匣固有模態。分析應急、起飛和額定工況下的發動機整機振動特性。對轉子系統動力特性進行諧響應和譜分析，模擬轉子不平衡故障，對整機振動進行譜分析，解釋振動原因。

關鍵詞：渦輪軸發動機;整機振動;有限元;振動頻譜圖

中圖分類號：V231

航空發動機可靠性指標不僅受振動應力影響，也與航空發動機本身、相關附件及各航空儀表的工作狀態有關，航空發動機整機振動對上述指標有不利影響。當前，速度性能較為突出的軍用機型與普通民用機型都頻繁發生振動故障，大批航空發動機提前返廠，既損害航空發動機在實際應用中的經濟性能，又縮短預期壽命。本文對某型渦輪軸航空發動機進行整機振動特性分析，因實際系統較為復雜，直接分析困難，本文將建立簡化后的發動機“機匣—轉子”系統有限元模型;其次，計算轉子的臨界轉速;最后，從整機出發，計算整個“機匣—轉子”系統的振動特性，分析轉子不平衡故障對系統振動特性的影響。

一、整機CAD建模概述

渦輪軸發動機由單轉子混合式壓氣機、折流式環形燃燒室、2級軸流反應式渦輪、1級軸流式自由渦輪、減速器和簡易的非收縮式排氣裝置等部件組成，其工作系統分為液壓機械式燃油控制系統、滑油系統、起動系統等。基于轉子典型結構建模與靜子典型結構建立簡化后的三維模型如下。

二、計算模型處理

1.轉子支承處理

航空燃氣渦輪發動機轉子系統由渦輪轉子、壓氣機轉子及聯接轉子的組件構成。一方面，支承結構將轉子支承在發動機機匣特定位置;另一方面，支承結構也承受轉子上的負荷（氣體軸向力、重力、慣性力以及慣性力矩等）并傳動到機匣。最后，發動機的安裝節將負荷傳導至飛機結構上。

整機模型采用5個支承結構，均為滾動軸承。查閱相關文獻，計算轉子臨界轉速時可將彈性支承與機匣的組合系統簡化為兩個串聯的彈簧，由彈性支承與機匣支承共同影響的組合剛度為：

是通過對機匣進行剛性分析得出的。本文在計算轉子臨界轉速時，從適當的數量級中選取4組軸承組合剛度值。

2.轉子葉片處理

轉子葉片是渦輪和壓氣機實現功能轉換的主要零件，在航空發動機正常工作時承受較大的負荷。由于已知葉片參數較少，基于UG軟件構建葉片三維模型的可行性不高，故通過輕微抬升輪轂高度等效模擬轉子葉片。

3.靜子葉片處理

壓氣機靜子葉片與自由渦輪靜子葉片采用剛性質量塊代替，為確保靜子葉片質量取值的合理性與科學性，特前往南京航空航天館實測。從左到右，質量依次為：255g，235g，215g，195g，175g，155g，135g，115g，95g，75g，55g，320g，625g.

4.轉子臨界轉速計算分析

對轉子系統進行動力特性分析應構建簡化后的三維立體模型，并用有限元方法計算轉子臨界轉速。查閱相關文獻可知：用 ANSYS軟件計算“轉子—支承”系統臨界轉速時，基于一維模型求解臨界轉速與基于立體模型求解的結果約有5%的相對誤差，后者精度更高。故本文基于立體有限元模型求解轉子臨界轉速。用ANSYS軟件分析轉子系統的模態并得出其固有頻率，計算系統受同步力時的臨界轉速。在陀螺效應下，反進動固有頻率會隨著轉子自轉角速度的增加而降低，正進動固有頻率反之。本文只分析正進動固有頻率。

基于三維模型進行初步分析工作。具體的：首先計算轉子系統臨界轉速，通過對比四組不同軸承剛度值下的計算結果，發現轉子系統一階臨界轉速隨軸承剛度值的增加而提高。在完成轉子臨界轉速計算后，對轉子與機匣應用模態分析，得出轉子與機匣的前十階固有頻率并分析前六階振型，為諧響應分析和譜分析奠定基礎。

三、不同工況下的整機振動分析

1.計算工況

本文主要研究的工況包括表中所列出的速度值，共分為應急、起飛、額定三種工況。

2.轉子不平衡故障下的整機振動分析

（1）轉子不平衡故障的模擬方法

在轉子軸上非軸承安裝處施加一個0.08g的剛性質量塊，制造轉子系統不平衡故障。現將自由渦輪系統、壓氣機—燃氣渦輪系統和機匣的分析結果整理如下：

（2）不平衡故障下的整機振動分析結果

0.08g不平衡量下的轉子諧響應分析結果：

0.08g不平衡量下的軸承處振動分析結果：

如圖3-2所示，1號軸承頻率響應曲線圖中，峰值點的出現并非由轉子系統的固有頻率引起，而是其工作轉速導致;2號軸承頻率響應曲線圖中，峰值點既不是由工作轉速引起，也不是轉子系統的固有頻率導致。應該是由其他因素導致;3號軸承頻率響應曲線圖中，峰值點主要是由轉子系統的固有頻率導致;4號軸承頻率響應曲線圖中，峰值點既不是由工作轉速引起，也不是轉子系統的固有頻率導致。應該是由其他因素導致;5號軸承頻率響應曲線圖中，峰值點既不是由工作轉速引起，也不是轉子系統的固有頻率導致。應該是由其他因素導致。

0.08g不平衡量下機匣諧響應分析結果：

0.08g不平衡量下機匣對應位置處的頻率響應曲線：

綜上，機匣諧響應分析的譜圖與所施加周期激勵頻率并無直接聯系。主要是同時考慮五個軸承處的激勵及不平衡故障時，單一激勵的效果被整體耦合效應弱化。

四、工作總結

本工作主要可分成前期建模和后期計算分析兩大部分：由于原始圖紙信息不完整，在建模工作的開端遇到了較多的困難，最終，在對原模型進行了較大簡化的基礎下完成了整機的平面CAD圖。由于圖形較為復雜，在CAD中生成面域時，前后經過了多次修改、嘗試。后期工作中，面對如何將機匣部分的振動特性與轉子系統的振動特性合并分析得出整機振動特性的難題時，曾一度缺乏明確的研究思路。經過查閱文獻，最終擬定了相對完善、科學的研究方案。

五、展望

一方面，由于大量結構參數未知，對所建模型的準確程度造成了一定的影響;另一方面，由于時間有限所建立的模型做了大量的簡化，包括燃燒室在內的一部分重要組件沒有被考慮進去。如果有詳實的參數，相信可以優化三維有限元模型。此外，在后續計算轉子系統的臨界轉速的過程中，軸承剛度的取值實在查閱大量相關文獻后自主選取的4組合理數值，而非實際測算量。希望今后有機會展開動、靜剛度的計算與分析工作，使整機分析的結果更具有適用性。

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作者簡介：劉程文青，1994年1月3日，助理工程師

（中國航空工業集團公司上海航空測控技術研究所 上海 201601）