航空發動機動力渦輪轉子動力學分析與試驗研究

舒斯榮

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

航空發動機轉子結構復雜、負荷大、工作轉速高，工作條件極端惡劣，使其動力學特性具有較大的不確定性。因此，初始的轉子設計直接應用到發動機上可能存在較大的風險，工程上往往會在設計之初按照結構和動力學相似原理搭建相應的模擬轉子（連接結構、支承布局、質量慣性等與真實轉子基本保持一致）進行動力學分析和驗證[1-7]。中小型航空發動機核心機工作轉速通常高達40000RPM～60000RPM，遠高于常見的大型軍用和商用航空發動機，基于此，轉子動力學設計在中小型航空發動機研制的過程中顯得尤為關鍵，合理的臨界轉速設計則是轉子動力學設計的最基本要求。為了滿足轉子的臨界轉速裕度要求，常用的方法有選擇恰當的支承剛度、改變質量分布、優化轉子結構等。采用彈性支承是改變航空發動機轉子臨界轉速較為便捷的一種方法，并在很多航空發動機轉子動力學設計中得到了應用。彈性支承分為鼠籠式彈性支承和彈性環式彈性支承，兩者各有優缺點，目前，鼠籠式彈性支承的應用較廣。然而，計算模型的準確性、臨界轉速設計以及轉子動力學設計的合理性需要通過試驗研究確定。

本文通過建立動力渦輪模擬轉子有限元計算模型，對轉子的動力特性進行了系統分析，并開展了動力渦輪模擬轉子試驗研究，同時對比了計算結果和試驗結果，為真實轉子的動力學分析和試驗奠定了堅實的基礎。

1.轉子結構簡介

動力渦輪模擬轉子結構示意圖見圖1。整個轉子主要由動力渦輪軸、動力渦輪一級模擬盤、動力渦輪二級盤模擬盤等零部件組成。轉子動力渦輪軸采用空心結構，同時為了保證動力渦輪模擬轉子的動力特性與真實動力渦輪轉子動力特性保持基本一致，設計的動力渦輪模擬盤的質心位置、質量、轉動慣量均與真實盤具有良好的一致性。轉子共4個支點，分別為“軸承1”“軸承2”“軸承6.5”及“軸承7”，其中，“軸承1”為球軸承，“軸承2”“軸承6.5”和“軸承7”均為滾棒軸承。動力渦輪模擬轉子是一個細長、空心結構的柔性轉子。

該動力渦輪模擬轉子2號采用鼠籠式彈性支承，其剛度主要受鼠籠彈條長度、寬度和油膜間隙等參數影響。鼠籠式彈性支承結構見圖2，圖2 中，a1為法蘭邊。

2.有限元分析模型

2.1 集中質量

為了建模方便，在建模時，將動力渦輪一級模擬盤和動力渦輪二級模擬盤的部分盤體用集中質量代替，使用集中質量模擬部分盤體，用集中質量模擬的部分動力渦輪一級盤和動力渦輪二級盤的質量、極轉動慣量、直徑轉動慣量等質量特性見表1。

表1 集中質量特性

2.2 支承剛度

動力渦輪模擬轉子共有4個支點，計算時各支承剛度見表2。

表2 支承剛度

2.3 有限元模型

對轉子模型進行前處理，簡化結構，忽略倒角、螺紋孔、圓角等一些細小的局部結構。運用軟件PATRAN基于梁單元對模型進行網格劃分，然后借助分析軟件SAMCEF/ROTOR完善計算模型（主要包括集中質量單元、軸承單元以及不平衡量單元的建立），用軸承單元模擬動力渦輪模擬轉子的各個軸承、集中質量單元模擬兩級動力渦輪模擬盤的部分盤體、梁單元模擬動力渦輪模擬轉子的主體部分。模型共有708個梁單元，717個節點，2個集中質量單元以及4個軸承單元，建立了動力渦輪模擬轉子有限元分析模型，見圖3。

圖3 動力渦輪模擬轉子有限元分析模型

3.動力特性計算結果

在表2的支承剛度條件下，對動力渦輪模擬轉子前三階臨界轉速和前三階振型進行計算分析，計算結果見表3，振型見圖4。

表3 前三階臨界轉速計算結果

圖4 動力渦輪模擬轉子前三階振型

從表3和圖4可知，在整個工作轉速范圍內，動力渦輪模擬轉子存在兩階彎曲臨界轉速，即動力渦輪模擬轉子跨兩階臨界轉速工作，前三階臨界轉速的裕度均大于20%，滿足設計要求；動力渦輪模擬轉子前三階振型均為彎曲振型，動力渦輪軸細長是造成轉子發生彎曲變形的主要原因。

4.試驗研究

試驗在臥式高速旋轉試驗器上進行，試驗器主要由控制系統、潤滑系統、拖動系統、真空系統和支承系統組成，在試驗過程中，由電機驅動通過浮動軸帶動轉子旋轉，實現動力輸入。試驗在真空環境下進行，通過真空泵對真空倉事先抽至真空狀態，然后再進行試驗。試驗過程中通過光電傳感器、電渦流位移傳感器、加速度傳感器分別測量轉子轉速、轉子撓度、支座和轉接段上的振動加速度。動力渦輪模擬轉子在試驗器上的安裝及測試示意圖如圖5所示（圖中：“⊥”表示垂直方向，“＝”表示水平方向；D1-D4為位移傳感器），主要在轉子動力軸上布置4個位移傳感器，測量試驗過程中的振動位移。

圖5 轉子測試示意圖

動力渦輪模擬轉子在試驗過程中由D1-D4位移傳感器測得的轉子撓度-轉速曲線如圖6示。

圖6 轉子撓度隨轉速變化曲線

由于試驗得到的第一階臨界轉速不明顯，因此，只針對第二階臨界轉速進行對比分析。第二階臨界轉速的試驗結果及相對于試驗結果的計算誤差如表4所示。表4中，試驗值為四個測點測得的平均值。

表4 臨界轉速試驗結果及計算誤差

5.結論

本文構建了某航空發動機細長空心結構動力渦輪模擬轉子的動力特性有限元分析模型，通過系統計算和分析動力特性，得到了前三階臨界轉速和振型，開展了全轉速范圍內的動力渦輪模擬轉子動力特性試驗，主要結論如下：

（1）轉子在工作轉速范圍內存在兩階彎曲臨界轉速，臨界轉速設計合理；

（2）計算模型的計算誤差僅為3.61%，模型較好地反映了轉子的動力特性；

（3）動力渦輪模擬轉子能安全平穩運行至工作轉速。