某航空發動機高壓轉子總體結構設計與動力特性評估

摘要：針對航空發動機高壓壓氣機轉子系統轉速高、溫度高和載荷大的設計需求，從轉子結構方案設計、選材分析以及轉子系統力學特征分析與設計三個方面對高壓壓氣機轉子進行了研究工作。研究結果表明：通過對高壓壓氣機轉子軸系結構進行自由模態分析，可以找出轉子的薄弱環節進行改進設計，從而提高軸系整體剛度均勻性，消除低階局部彎曲的振動模態;轉子三個軸承支承剛度選取合適的剛度范圍時，通過動力學和應變能分析，可確保高壓壓氣機轉子系統在工作轉速范圍內，具有足夠的臨界轉速共振裕度（大于20%）;在轉子系統通過一階、二階臨界轉速時，轉子本身的應變能總和不到10%，振動帶來的轉子軸系損傷很小，滿足設計準則要求。

關鍵詞：高壓轉子;結構設計;剛度;臨界轉速;應變能

中圖分類號：V233" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0027-07

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.007

0" " 引言

高壓壓氣機轉子系統是航空燃氣輪機的關鍵部件之一，其結構設計的好壞直接決定著壓氣機的工作效率和可靠性[1-2]。高壓壓氣機轉子系統在工作中承受著氣動、溫度、機械等復雜載荷的綜合作用，因此在總體結構和轉子動力學特性等方面有著嚴格的設計要求[3]。

在轉子系統的整體結構設計方面，陳巍等人[4]介紹了一種245 N推力微型渦輪噴氣發動機結構設計的方法和過程，并采用有限元與實驗結合的方法解決了試車中遇到的結構問題;趙威等人[5]以國外某發動機為例，通過尺寸鏈的分配分析，使發動機總體結構尺寸，如轉靜子軸向間隙等更加合理可靠;張大義等人[6]針對高負荷壓氣機的結構設計需求，從減輕重量、提高可靠性和降低葉尖損失三個方面給出了結構與力學特性的一體化設計方法。在高壓轉子動力學特性分析與設計方面，廖明夫等人[7]研究了航空發動機高壓轉子的動力學特性及關鍵參數的影響規律;周海侖等人[8]、張大義等人[9]以雙轉子航空發動機為研究對象，建立了航空發動機雙轉子-機匣耦合動力學模型，給出了臨界轉速分析方法和影響參數。

上述研究表明，由于國內航空發動機的研制一直以測試仿制為主，目前雖然具備了一定的零部件技術基礎和設計能力[10-11]，但在整個高壓轉子系統總體結構的設計能力方面尚有所不足，且可借鑒的公開發表文獻很少。本文針對某高壓壓氣機開展轉子結構方案設計、選材分析以及轉子系統力學特征分析與設計的研究工作，為相關研究提供設計技術和數據參考。

1" " 高壓轉子總體結構與轉子動力學設計要求

航空燃氣渦輪發動機轉子系統設計的最終目標在于設計出一個在整個工作轉速范圍內避免振動過大而重量輕、成本低的轉子系統，以便獲得：（1）在發動機停留轉速和通過臨界轉速時，由于轉子不平衡和機動載荷引起的振動變形和間隙損失足夠小;（2）支承軸承和結構部件的無限壽命;（3）為解決發動機研制期間可能遇到的振動問題而能調整原結構動力學設計的余地;（4）既有發展潛力，又有良好可靠性和維修性;（5）容許發動機短時間內承受操作不當（喘振、轉子熱彎曲）或葉片丟失情況下引起的特大不平衡。

為實現上述目標，在總體結構方案設計階段，高壓轉子系統必須具備足夠的剛性、允許的轉子臨界轉速以及允許的轉子彎曲應變能。

1.1" " 足夠的剛性

應通過軸系剛度分布計算以及連接結構的設計，以確保高壓轉子軸系具有足夠的剛度。

轉子軸系包括葉片、盤、軸及其連接結構，對于現代高性能燃氣渦輪發動機轉子系統的結構設計，其基本原則是要求軸的彎曲剛度盡量接近等剛度設計，這樣可使軸系的動力特性最優，即共振點少，減少局部振動，從而使軸系的振動變形易于控制。

對于高壓轉子系統，一般采用剛性轉子設計，通過剛度和質量沿軸向的協調分布設計，以保證高壓轉子軸系的第一階自由模態具備足夠高的頻率，這樣才能使轉子系統在工作轉速范圍內無彎曲臨界轉速，并且避免軸系的低階局部振型。

1.2" " 允許的轉子臨界轉速

選擇彈性支承剛度，使轉子臨界轉速滿足設計準則和安全裕度要求。

根據總體參數，確定高壓轉子的最大工作轉速和慢車轉速;研究各彈性支承剛度對臨界轉速的影響規律;確定彈性支承剛度值，保證剛體振型臨界轉速置于慢車轉速以下，并具有20%的轉速裕度;彎曲型臨界轉速在最大工作轉速以上，并具有20%的轉速裕度。

1.3" " 允許的轉子彎曲應變能

轉子在通過各階臨界轉速時，轉子彎曲應變能應小于該振型的發動機總應變能的20%。

計算模型必須包含轉子-支承系統，對于工作轉速內出現的臨界轉速，若轉子的彎曲應變能大于總應變能的20%，即使符合臨界轉速的轉速裕度要求，也應調整支承剛度以及調整轉子剛性和質量，以降低轉子的應變能。

2" " 轉子結構方案設計

某渦扇發動機高壓轉子由10級高壓壓氣機、1級篦齒封嚴盤和2級高壓渦輪組成，轉子支承方案為1-0-1，轉子結構如圖1所示。轉子采用盤鼓混合式結構，由5個部件組成，即第1級轉子、前軸頸與第2級轉子、第3～7級轉子、第8～10級轉子、壓氣機后篦齒封嚴盤。

前支點滾珠滾棒軸承并用，如圖2所示，滾珠軸承不承受或者盡量少承受徑向載荷，僅承受軸向載荷，徑向載荷由滾棒軸承來承受。該結構形式有兩大優點：一是減少了滾珠軸承的徑向負荷，提高了軸承的耐久性;二是加入了滾棒軸承后，能更好地限制轉子回轉運動所產生的徑向位移，從而更好地維持均勻的葉尖間隙，保持高壓壓氣機性能。

為滿足轉子系統的動力學設計要求，在上述總體結構方案的基礎上，對軸系進行如下細節設計，以提高壓氣機的剛度分布均勻性。

2.1" " 提高前三級盤的局部剛性

壓氣機的前兩級為鈦合金材料的整體葉盤，零件數大為減少，同時輪盤的輪緣處不需要加工出安裝葉片的榫槽，因而輪緣的尺寸會隨之減小，減輕轉子質量。

由于螺栓連接位于第2級盤位置，若第1、2級盤之間只有單層鼓筒，第1級盤將變成懸臂式結構，剛性較差，不利于控制鼓筒的變形以及葉尖間隙的大小，因此采用雙層鼓筒的結構，輪盤安裝邊所在的鼓筒與封嚴篦齒所在的鼓筒形成環腔結構，使前三級盤的局部剛性增強。同理，在第2、3級之間也采用雙層鼓筒的設計，形成另一環腔結構，如圖3所示。

2.2" " 縮短前后支點的距離，增強轉子剛性

由于此高壓壓氣機軸向長度較長，徑向尺寸較小，轉子整體剛性較差，根據靜力學與轉子動力學的知識，縮短前后支點的距離可以明顯提高轉子的剛性，因此在壓氣機設計時應當盡量將前支點的位置后移。以CFM56發動機為例，其壓氣機的徑向尺寸與本方案較為接近，為了提高剛性，其前軸頸從第3級輪盤處伸出。綜合考慮各方面因素，設計本方案中壓氣機的前軸頸從第2級盤伸出，采用焊接方式將前軸頸與第2級盤做成一體結構。采用這樣的結構可以縮短壓氣機前支點與渦輪后支點的軸向距離，以提高高壓轉子的剛性，優化其力學性能。

2.3" " 提高第7、8級盤連接處的局部剛性

在第7級輪盤處，存在一個引氣機構，由于前七級與后三級所采用的材料不同，不能直接焊接，因此用短螺栓將第7級盤、引氣機構及后三級輪盤三者相連接。由于此處的鼓筒直徑較小，剛性差，易發生較大變形，成為薄弱環節，因此采用了環腔式結構，將外鼓筒與引氣機構形成一個封閉空腔，以增強第7、8級連接處的局部剛性，同時為了抑制鼓筒的變形，在鼓筒內側增加一個凸臺，起到加強筋的作用，如圖4所示。

2.4" " 抑制壓氣機后部鼓筒的過大變形

壓氣機的后部鼓筒為一錐殼結構，厚度小，質量輕，在離心載荷的作用下僅憑借第10級輪盤不足以抑制其變形，因此在壓氣機后設計篦齒封嚴盤，控制鼓筒變形量，同時在鼓筒內側增加加強筋。在后篦齒封嚴盤處，用螺栓將壓氣機轉子與高壓渦輪轉子連接組成高壓轉子，如圖5所示。

3nbsp; " 總體參數及選材分析

根據總體性能分析和氣動設計結果，確定發動機的主要工作轉速如表1所示，各級壓氣機盤軸溫度分布如表2所示。

根據表2，對各級轉子輪盤、葉片進行初步選材分析。

3.1" " 高壓壓氣機1、2級整體葉盤

高壓壓氣機轉子1、2級整體葉盤選用TC6α-β型兩相鈦合金，依據如下：

（1）TC6合金具有較高的室溫靜強度，可長期工作的最高溫度是400 ℃，并具有較好的高周疲勞強度，被廣泛用于制造壓氣機盤和葉片等零件[12]，并且具有優良的熱加工工藝性能，變形抗力小，塑性高，可以進行焊接和各種方式的機械加工。

（2）借鑒國外成熟高壓壓氣機的材料選用。F414高壓壓氣機的第1、2級采用Ti17制成整體葉盤[13]，TC6和TC11的各方面力學性能與Ti17相似，是Ti17的國產相近牌號[14]。考慮到1、2級葉盤工作溫度較低，不高于145 ℃，TC6完全可以滿足溫度和強度需求，并且經濟成本比TC11更低。

（3）TC6在國產渦軸、渦扇發動機中，已被廣泛使用，具備TC6成熟的制備技術。

3.2" " 高壓壓氣機3～7級葉片與輪盤

高壓壓氣機3～7級葉片與輪盤選用TC11α-β型熱強鈦合金，依據如下：

（1）與TC4相比，TC11具有較好的高低周疲勞強度和更高的極限抗拉強度，適用于發動機葉片、輪盤使用[12]。

（2）TC11可長期工作的最高溫度是500 ℃，并且具有較高的室溫強度，滿足本設計要求。

（3）借鑒國外成熟高壓壓氣機的材料選用，GE公司的高壓壓氣機第2～5級輪盤、PW4000第2～8級輪盤均選用Ti17鈦合金[12]。

（4）TC11是我國目前航空發動機上用量最大的鈦合金，主要用于制造壓氣機盤、鼓筒等零件，制備工藝成熟，可以滿足生產需求。

3.3" " 高壓壓氣機8～10級葉片

高壓壓氣機8～10級葉片選用GH4169鎳基高溫合金，依據如下：

（1）GH4169在650 ℃下具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕性能，并具有良好的加工性能，屈服強度高，塑性好，疲勞性能好。

（2）GE公司的某高壓壓氣機5～10級轉子葉片、CFM56系列發動機4～9級轉子葉片[13]均選用Inconel718。GH4169的各方面力學性能與Inconel718相似，是Inconel718的國產牌號。

3.4" " 高壓壓氣機8～11級輪盤

高壓壓氣機8～11級輪盤選用FGH95鎳基粉末高溫冶金，依據如下：

（1）與GH4169相比，其具備更好的低周疲勞強度、極限抗拉強度和高溫抗蠕變能力。

（2）借鑒國外成熟高壓壓氣機的材料選用，GE公司的高壓壓氣機6～11級輪盤[15]、CFM56系列發動機4～9級輪盤均選用了Rene95。FGH95是Rene95的國產化牌號，可用于替代Rene95。

（3）國內已具備FGH95輪盤的制備技術。我國目前已建立和完善了粉末高溫合金研制生產線，FGH95、FGH96粉末渦輪盤，在某小型發動機上和三、四代發動機上已得到使用。

4" " 轉子系統力學特征分析與設計

4.1" " 剛度分析

建立高壓轉子軸系的有限元模型，如圖6所示，通過自由模態計算，分析轉子軸系的剛度薄弱環節。

求得在自由狀態下，高壓轉子400 Hz以內的固有頻率及對應振型如圖7所示，可見，高壓轉子第一階振動頻率較低，僅68.7 Hz，其振型為壓氣機前軸段和渦輪軸段的局部彎曲，軸系的局部振動明顯，這主要是高壓轉子在壓氣機前軸段和渦輪軸段處的局部剛度過低所致;第二階振動頻率為307.9 Hz，略高于最高工作轉速頻率，其整體振型為一階彎曲，同時在7、8級壓氣機盤和渦輪軸段處存在局部彎曲，這主要是高壓轉子在7、8級壓氣機盤連接處和渦輪軸段處的局部剛度過低所致。綜上，應重點在壓氣機前軸段和7、8級壓氣機盤連接處、渦輪軸段三個位置進行結構改進設計，從而提高轉子整體的剛度均勻性。

考慮到上述不足，在壓氣機前軸頸半徑增大3 mm，7、8級壓氣機盤連接處增大局部厚度，以提高剛性。改進轉子結構在自由狀態下，400 Hz以內的振型如圖8所示。可見，通過對兩個位置的結構改進后，可以提高轉子的局部剛度薄弱環節，有效提高剛度均勻性，進而消除了第一階局部彎曲的振動模態，給轉子系統的動力學設計帶來好處。

4.2" " 臨界轉速分析

在改進結構的高壓轉子軸系基礎上，借鑒成熟高涵道比發動機高壓前、后支點的支承剛度值，并進一步研究各支點支承剛度對各階臨界轉速值及共振裕度的影響規律，最終確定各支點的最優支承剛度值如表3所示。

在最優支點剛度時，考慮陀螺力矩影響，求得高壓轉子的Campbell圖，如圖9所示。可見，高壓轉子系統在工作轉速范圍內，共存在兩階臨界轉速，第一階臨界轉速為3 500 r/min（圖中A點），在慢車轉速工作時，轉速共振裕度為61.1%;第二階臨界轉速為6 795 r/min（圖中B點），在慢車轉速工作時，轉速共振裕度為24.5%;第三階臨界轉速遠遠高于發動機的最高工作轉速，在圖中未畫出，轉速共振裕度大于100%。

4.3" " 應變能分析

進一步對轉子系統在過臨界時的模態振型和應變能分布進行分析和評估，模態振型反映轉子在過臨界轉速時的軸系相對變形，應變能分布反映過臨界時軸系的相對薄弱位置。

該轉子系統在過一階臨界轉速時，轉子系統的變形及應變能分布如圖10所示。可見，在轉子系統過一階臨界轉速時，60%以上的應變能集中于前端滾棒彈支;轉子本身的應變能很小，總和不到10%。因此，轉子在通過一階平動臨界轉速時，對軸系危害很小。

求得該轉子系統在過二階臨界轉速時，轉子系統的變形及應變能分布如圖11所示。可見，在轉子系統過第二階臨界轉速時，70%以上的應變能集中于后支點;轉子本身的應變能很小，總和不到10%。因此，轉子在通過第二階俯仰臨界轉速時，對軸系危害很小。

按設計的支承剛度，求得該轉子系統在過第三階臨界轉速時，轉子系統的變形及應變能分布如圖12所示。可見，在轉子系統過第三階臨界轉速時，三個支承的應變能和僅為10%;而轉子本身的應變能很大，尤其是壓氣機后段與鼓筒軸段，兩處的應變能總和超過了80%。對于這類振型是不允許在最高轉速范圍以內存在的，由于此階臨界轉速遠遠高于轉子系統的最高工作轉速，并且轉速裕度大于100%，因此滿足設計要求。

5" " 結論

本文以典型航空發動機高壓壓氣機轉子結構為對象，通過對壓氣機轉子軸系的自由模態進行計算分析，確定了軸系的剛度薄弱環節，通過結構改進設計，提高了整體剛度均勻性，消除了低階局部彎曲的振動模態。分別對支承高壓轉子的三個支點的剛度進行合理選取，分別為2×106、8×106、3.8×107 N/m時，并通過動力學分析，可確保高壓轉子系統在工作轉速范圍內，具有足夠的臨界轉速共振裕度。通過對高壓壓氣機轉子進行應變能分析，在轉子系統通過一階、二階臨界轉速時，可確保轉子本身的應變能總和不到10%，振動帶來的轉子軸系損傷很小，滿足設計準則要求。

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收稿日期：2023-02-01

作者簡介：陳亮（1984—），男，陜西渭南人，碩士研究生，高級工程師，從事航空發動機總體結構設計工作。