柔性转子动力特性研究

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　航空发动机　　　　　　　　　　　　　2005年第31卷第1期14

柔性转子动力特性研究

史亚杰1　王孝利2　洪　杰1　朱梓根1

(1.北京航空航天大学,北京　100083)(2.空军驻京丰地区军事代表室,北京　100074)

摘要:以某涡扇发动机低压转子为对象,采用有限元方法分析了支承刚度、支承轴向位置、子动力特性的影响,得出了有意义的结论,关键词:柔性转子　动力特性　支承系统　有限元

ofSystem

　Xiaoli2　HongJie1　ZhuZigen1

ofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China)

2.CustomerRepresentativeinFengtaiDistrict,Beijing100074,China)

Abstract:Basedonthelowpressurerotorsystemofaturbofanengine,influenceofsupportingstiffness,axialsup2portingpositionandgyrotorqueonflexiblerotorsystemdynamiccharacteristicsareanalyzedwithfiniteelementmethod.Someconclusionshelpfulforthedesignofflexiblerotorsaredrawn.Keywords:flexiblerotor;dynamiccharacteristics;supportingsystem;finiteelement

1　引言

　　对于高可靠性航空发动机来说,转子系统的设计非常重要。众所周知,发动机转子系统首先应该满足其临界转速远离工作转速的要求。其次,要尽可能保证在工作转速范围内不出现弯曲振型以改善轴承的受力状况。另外,在有突加不平衡作用力时,转子-支承系统应有足够的阻尼,使其振动不会太大,以免导致失稳。为此,在进行转子系统设计时,通常需要从转子跨度、支承个数、圆盘质量分布、支承标高、轴承负荷分配以及材料性能参数等方面加以考虑,对转子系统进行优化设计[1]。　　目前,对航空发动机转子系统研究的重点大多集中在刚性较高的转子上,且在设计时尽量使在工作转速以下不出现弯曲振型。随着对发动机结构和性能要求的进一步提高,柔性转子开始应用于航空

　　收稿日期:2004-08-03

发动机,转子系统的弯曲振型出现在工作转速以下,

各种因素对刚性转子系统振型和临界转速的影响规律不再适用。　　本文从支承刚度、支承轴向位置和陀螺力矩的影响方面对柔性转子系统临界转速和振型的设计进行了研究。

2　某低压转子系统有限元分析模型

2.1　转子基本描述

　　某涡扇发动机低压转子系统由风扇组件和低压涡轮组件组成,二者通过套齿联轴器和风扇转子内的1根弹性小轴连接。该转子系统由3个支承点支承在机匣上,如图1所示。该转子的轴细长,而风扇和涡轮盘片的质量相对较大。2.2　有限元模型　　合适的计算模型是得到准确而可靠临界转速计

　　第一作者简介:史亚杰(1976—),北京航空航天大学在读博士研究生,研究方向为转子动力学和叶片减振。

柔性转子动力特性研究

史亚杰等:柔性转子动力特性研究15

(a)实体单元模型

图1　某涡扇发动机低压转子系统

算结果的保证[2]。建立有限元模型时,既要考虑能

保证结果的可靠性,又要顾及计算规模。为此,首先对2种有限元模型(细致的转子系统实体有限元模型和简化的梁-质量单元有限元模型)

进行比较,以确定最终的分析模型。

　　图2(a)是采用ANSYS建立的实体有限元模型。根据转子系统结构形式,采用了2种单元,一种是8节点

SOLID45单元,共7020个单元、9565个节点;另一种是质量单元MASS21,质量和转动惯量,共40图是梁-个梁单元、76。

(b)梁-质量元模型

图2　有限元模型

　　在自由边界条件下,分别采用上述2种模型对转子横向振动静

13所示。

表第1阶第2阶第3阶

(Hz)实体模型

103.0244.5476.5

梁单元模型

101238463

相对误差(%)

1.942.662.80

　　通过计算得出,在自由状态时,2种模型前3阶非刚体振型完全相同,对应的固有频率最大相对误差为2.8%。这说明采用相对简单的梁-质量单元模型是可行的。

　　由于受其他条件的限制,设计该转子系统支承方案时,要求两端支承刚度不变,只能对中间支承的刚度进行调整。记中间支承的相对刚度Rk为中间支承刚度Ks和转子刚度Kr之比,即

Rk=Ks/kr　　图4给出了不同转速时中间支承刚度的变化对前4阶固有频率的影响。从图中可以看出,中间支承刚度的变化对转子前3阶固有频率的影响非常小,但对第4阶固有频率的影响较大。这有别于转子刚度较大的转子系统的。文献[3]的研究表明,

Rk越小,不平衡响应及不稳定的趋势也越不明显。

3　支承刚度对转子动力特性的影响

　　支承刚度对转子系统动力特性的影响曾有很多研究,在试验和理论方面积累了大量经验,转子设计准则对支承刚度需要满足的条件也做了规定。但如前所述,大多数工作是针对转轴刚性较高的转子进行的,要求转子的弯曲振型出现在转子工作转速以上,对细长、多支承、低刚性的转子的研究还不充分。下面以如图1所示的转子为对象,基于上述简单的梁-质量单元模型,分析支承刚度对临界转速的影响。

因此,对某发动机转子系统而言,可以尽量降低中间支承的刚度。

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(a)转子转速为6000r/min时　　　　(b)转子转速为18000r/min

时

min时　　　　(d)转子转速为42000r/min时

图　不同转速下中间 …… 此处隐藏：2030字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……