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。

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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　不同转速下中间支承刚度的变化对固有频率的影响

4　支承轴向位置对转子动力特性的影响

　　设计发动机转子系统时,根据结构要求,往往需要对支承的轴向位置进行局部调整。图5给出了中间支承位置的改变对某发动机转子不同转速下前4

阶固有频率的影响。结果表明,中间支承的轴向位置的改变对固有频率的影响很小。这说明,通过调整支承轴向位置来调整转子系统动力特性的方法对某发动机转子系统意义不大

。

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

时

(c)转子转速为30000r/min时　　　　(d)转子转速为42000r/min时

图5　不同转速下中间支承刚度的变化对固有频率的影响

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5　陀螺力矩对转子动力特性的影响

　　在转速一定时,上述计算结果显示中间支承的刚度和轴向位置的改变对某发动机转子固有频率的影响不大。但固有频率,尤其是高阶频率随转速的变化有较大改变,这说明陀螺效应对转子的固有频率有较大的影响。　　本文通过研究转子系统盘片转动惯量对临界转速的影响分析了陀螺效应的影响。其他参数不变,仅改变盘片的转动惯量,共计算了2种情况,如图6所示

。

　　从结果可以看出,盘片转动惯量的改变对某发动机转子系统的前3阶临界转速影响较小,而对第4阶临界转速的影响很大,也就是说陀螺力矩对某发动机转子系统临界转速是一种有效的调整措施。而对转子刚度比较大的转子系统来说,陀螺力矩的影响很小,仅作参考。

6　总结

　　研究了支承刚度、支承轴向位置和陀螺力矩等因素对某发动机柔性转子动力特性的影响。研究表明,响,,。,在进行不同转子系统的动力特性设计时应注意。

参考文献

1　《航空发动机设计手册》总编委会编.航空发动机设计手

册(第19册):转子动力学及整机振动[M],北京:航空工业出版社,2000.

2　Masaharu

Shinozaki,

Osamu

Funatagawa,

Masao

Kobayashi.Studyofstatorstructuremodelingforrotordynamicanalysis[J].ProceedingsofASMETurboExpo2001,June4-7NewOrieans,LouisianaUSA,2001-GT-0254.

3　BarrettLE,etal.Optimumbearingandsupportdampingforunbalanceresponseandstabilityofturbomachinery[J].J.ofEng.ForPower,1978:89～94.

图6　陀螺效应对固有频率的影响

(责任编辑　李华文)

欧盟启动新的绿色航空发动机研制计划

　　在EEFAF和SILENCER计划之后,欧盟又启动

了一项为期4年的VITAL计划。该计划总预算为9500万欧元,由SNECMA公司领导,合作伙伴包括RR、MTU、VOLVO、ITP、AVIO、RRD等欧洲重要发动机制造商。　　VITAL计划的目标是,以2000年的世界发动机研制的先进水平为基准,到2020年,发动机的噪声降低一半(降低10dB),NOx排放量降低80%,CO2排放量降低50%,费用适当减少。　　SNECMA公司宣称,”VITAL计划的目标只有在技术实现真正的突破的前提下才能达到。”为此,该计划重点开发和验证以下技术:1)开发无静子对转风

扇、齿轮驱动的风扇和低速风扇,提高气动效率、降低噪声、减轻质量和降低费用;2)开发先进的气动、机械、加工和降噪技术,减少增压级的部件数,减轻质量;3)开发智能/功能材料、自动化加工工艺和树脂基复合材料等技术,减轻结构件质量;4)开发新材料,增大低压轴的力矩,减轻质量(20%左右);5)开发高升力叶型、高负荷叶片、轻质结构和材料、低噪声设计、主动控制、对转涡轮和无后框架涡轮等技术,降低噪声(6dB),减轻质量(20%);6)研制先进循环/低噪声喷管,采取高效短舱冷却技术,采用反推力装置等飞机/发动机一体化技术。

(梁春华)