某航空發(fā)動機(jī)整體葉盤耦合振動特性分析

孫浩琳，吳婭輝，朱振宇

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

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某航空發(fā)動機(jī)整體葉盤耦合振動特性分析

孫浩琳，吳婭輝，朱振宇

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

摘要：通過建立某航空發(fā)動機(jī)整體葉盤的三維實(shí)體模型，對整體葉盤結(jié)構(gòu)的耦合振動特性進(jìn)行了固有模態(tài)特性分析。根據(jù)有限元軟件ANSYS的計(jì)算結(jié)果，繪制了葉片共振轉(zhuǎn)速Campbell圖，分析了整體葉盤結(jié)構(gòu)模態(tài)振動的基本特性，得到了整體葉盤節(jié)徑-頻率圖，分析的結(jié)果為進(jìn)一步研究整體葉盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和避免共振提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：整體葉盤；耦合振動；固有模態(tài)；有限元；共振特性

0引言

航空發(fā)動機(jī)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，發(fā)動機(jī)整機(jī)振動是全方位周期振動和復(fù)雜隨機(jī)振動的復(fù)合，是多種影響因素共同作用的結(jié)果，這些特性決定了發(fā)動機(jī)振動測量的復(fù)雜性。現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)葉盤結(jié)構(gòu)的輕量化和高轉(zhuǎn)速，使得其整體葉盤的結(jié)構(gòu)形式得到了越來越廣泛的應(yīng)用，因此研究這種整體葉盤耦合振動的分析理論和振動特性，對于航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性檢測、葉盤振動測量和故障監(jiān)測具有重要的指導(dǎo)意義。

長期以來，對于非整體的葉盤結(jié)構(gòu)，葉片和輪盤之間是采用“榫頭“結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的，輪盤的剛度很大。葉片進(jìn)行振動特性分析時，可將葉片視為根部“固支”的懸臂結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Campbell圖對其進(jìn)行振動設(shè)計(jì)[1]。但是對于整體葉盤的結(jié)構(gòu)形式，輪盤的設(shè)計(jì)相對于非整體的葉盤而言，剛度要求就沒有那么大，葉片和輪盤間的耦合關(guān)系較強(qiáng)，因此對葉片和輪盤進(jìn)行振動特性分析時，需將其作為一個整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。但是，在針對葉片-輪盤整體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行耦合振動分析以及振動設(shè)計(jì)、振動評價等方面，仍然沒有成熟、系統(tǒng)的分析理論和設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范，仍需要對其進(jìn)行深入、系統(tǒng)的分析研究。

理論上的整體葉盤在結(jié)構(gòu)上具有旋轉(zhuǎn)對稱的特點(diǎn)，可以采用單扇區(qū)進(jìn)行建模、分析計(jì)算[2]。但實(shí)際上，由于制造的精度誤差，加工材料質(zhì)量分布不均勻以及使用中葉盤的磨損等因素，輪盤上葉片的幾何分布和物理特性會有微小的差異，這種有差異的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致某些葉片的振動幅值比理論上大得多。

本文主要采用循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，對整體葉盤結(jié)構(gòu)的分析模型、基本特性以及耦合結(jié)構(gòu)振動等相關(guān)問題進(jìn)行研究。

1基于有限元模型的耦合振動分析

由于葉片-輪盤結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，直接ANSYS中建立某航空發(fā)動機(jī)典型葉盤結(jié)構(gòu)模型很困難，所以在Pro/E三維建模軟件中建立葉盤的完整實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS中，如圖1所示。

該葉盤上設(shè)計(jì)有呈圓周分布的29個葉片，根據(jù)波動分析原理，在對葉片進(jìn)行有限元分析時，取一個葉片-輪盤扇區(qū)作為計(jì)算區(qū)域，通過對該葉片扇區(qū)進(jìn)行振動模態(tài)分析可知，當(dāng)葉片受到激振力之后，產(chǎn)生的振動主要有彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動和彎扭復(fù)合振動這三種形式。對于典型葉盤結(jié)構(gòu)，計(jì)算葉片在根部固結(jié)的振動頻率，得到的葉片共振轉(zhuǎn)速Campbell圖如圖2所示。

圖2　葉片共振轉(zhuǎn)速Campbell圖

由葉片共振轉(zhuǎn)速圖可以看出，葉片共振時的固有頻率與工作轉(zhuǎn)速相差較大，葉片工作時出現(xiàn)共振的可能性不大。針對葉片在不同階數(shù)下的彎扭變形，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量采取抗彎扭措施，減小因葉片變形造成的性能損壞。

由于輪盤的結(jié)構(gòu)是軸對稱的，與葉片相比，輪盤的固有頻率要高得多，因此輪盤的高階模態(tài)振動對整體葉盤系統(tǒng)的耦合振動基本沒有影響[3]，所以本文僅列出了輪盤的前幾階振動模態(tài)形式，如圖3所示。由于該輪盤結(jié)構(gòu)的支撐輻板剛度較弱，出現(xiàn)輪盤的零階彎曲剛度比其二、一階彎曲剛度大的情況，因此輪盤的模態(tài)次序根據(jù)固有頻率從小到大的順序?yàn)槎?jié)徑、一節(jié)徑、傘形扭動、三節(jié)徑等振動形式。

(a) 輪盤二節(jié)徑模態(tài)

(b) 輪盤一節(jié)徑模態(tài)

(c) 輪盤傘形扭動模態(tài)

(d) 輪盤三節(jié)徑模態(tài)

2整體葉盤固有頻率和振型

ANSYS有限元分析的結(jié)果如圖4所示，不僅葉片和輪盤會出現(xiàn)振動，還出現(xiàn)了盤片的耦合振動，而且呈節(jié)徑振動形式。由于輪盤影響程度不一樣，圖4(c)和圖4(d)雖然振型一樣，但振動頻率不一樣。

(a) 葉盤整體網(wǎng)格模型

(b) 葉盤二節(jié)徑振動模態(tài)

(c) 葉盤傘形(0節(jié)徑)振動模態(tài)

(d) 葉盤傘形(0節(jié)徑)振動模態(tài)

由計(jì)算結(jié)果可知：

1)整體葉盤耦合振動主要以葉片振動為主，且葉片各階振動的形式、出現(xiàn)的順序都與單扇區(qū)葉片相同。由于輪盤彈性的影響，頻率比單葉片根部固支的同階要低。如根部固支的單葉片基頻為2014.4 Hz，葉盤耦合振動的第一階彎曲頻率僅為1920.4 Hz，如圖4(b)所示。所以，輪盤剛度對葉盤結(jié)構(gòu)固有頻率有一定影響。

2)整體葉盤結(jié)構(gòu)有著比較明顯的節(jié)圓和節(jié)徑振動的特征，節(jié)徑數(shù)與葉盤的扇區(qū)數(shù)有關(guān)，葉盤為周期對稱結(jié)構(gòu)，故葉盤節(jié)徑數(shù)是固定的。當(dāng)葉片受到激振力達(dá)到共振時，所有的葉片的振動形式是一樣的，在葉輪緣上出現(xiàn)沿圓周均勻分布的節(jié)點(diǎn)。由于該整體葉盤有29個葉片，故節(jié)點(diǎn)數(shù)目從0遞增到28。即周期對稱結(jié)構(gòu)的節(jié)徑數(shù)是固定的，扇區(qū)數(shù)決定節(jié)徑數(shù)。

3)靠近節(jié)點(diǎn)附近的葉片振幅最小，葉片振幅最大處發(fā)生在節(jié)點(diǎn)之間，距離節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)，葉片振幅越大，振動劇烈。共振發(fā)生時，可能出現(xiàn)少數(shù)葉片因共振而損壞。

3耦合振動節(jié)徑頻率圖

整體葉盤的振動特性可以用其節(jié)徑-頻率圖進(jìn)行描述。對于該典型葉盤結(jié)構(gòu)，計(jì)算整體葉盤結(jié)構(gòu)的振動頻率，得到相應(yīng)的整體葉盤的節(jié)徑-頻率圖，如圖5所示。

圖5　整體葉盤節(jié)徑-頻率圖

可以看出，整體葉盤結(jié)構(gòu)振動模態(tài)頻率主要特點(diǎn)有：①由于各節(jié)徑均存在葉片的多階模態(tài)頻率，因此整體葉盤結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率更加密集；②輪盤的各節(jié)徑均會出現(xiàn)一族模態(tài)頻率，因此密集的整體葉盤結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率呈“族”出現(xiàn)；③葉盤結(jié)構(gòu)振動模態(tài)所表現(xiàn)的主

要形式包括葉片主導(dǎo)型模態(tài)，輪盤主導(dǎo)型模態(tài)和葉片輪盤組合主導(dǎo)型模態(tài)。

對于葉片主導(dǎo)振型，在節(jié)徑-頻率圖中可以看到斜線近似水平，葉盤結(jié)構(gòu)以葉片振型位移為主要振動形式；輪盤主導(dǎo)振型則是以輪盤的振動位移為主，隨著節(jié)徑數(shù)的增加，輪盤波數(shù)增大，節(jié)徑-頻率圖中出現(xiàn)斜率較大的斜線；而葉片和輪盤同時具有較大模態(tài)振動時，葉盤結(jié)構(gòu)振動表現(xiàn)出的形式則是葉片輪盤組合主導(dǎo)振型。

4共振分析時需要考慮的幾個問題

一般來說，對整體葉盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行共振特性分析的方法主要是對葉片和輪盤分別進(jìn)行共振分析，并從如何減少共振的角度進(jìn)行葉片和輪盤的振動設(shè)計(jì)[3-4]。但根據(jù)本文分析，在進(jìn)行整體葉盤結(jié)構(gòu)的耦合振動分析過程中，需進(jìn)一步考慮以下因素：①由于整體葉盤結(jié)構(gòu)的模態(tài)按節(jié)徑分“族”，其模態(tài)頻率呈“帶”分布，因此，避開共振問題應(yīng)是避免與該“族”的各階模態(tài)頻率產(chǎn)生共振；②由于模態(tài)密集，難以真正避開與所有模態(tài)頻率產(chǎn)生共振的情況，實(shí)際上在很多情況下，可能達(dá)不到避開共振的要求，因此主要研究如何避開若干關(guān)鍵階模態(tài)頻率的共振問題；③由于葉片與輪盤之間不存在榫接的摩擦阻尼等，整體葉盤結(jié)構(gòu)的阻尼更小，因此研究其結(jié)構(gòu)的共振特性時需進(jìn)行更加仔細(xì)的分析和試驗(yàn)。

5總結(jié)

本文主要采用循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，對整體葉盤結(jié)構(gòu)的分析涉及兩個方面的內(nèi)容：①基于有限元模型的實(shí)際葉盤結(jié)構(gòu)耦合振動的固有模態(tài)特性分析，包括分析模型、葉片和輪盤的固有模態(tài)、整體葉盤結(jié)構(gòu)固有模態(tài)特性等，并對典型整體葉盤進(jìn)行了計(jì)算和分析；②在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，討論了整體葉盤結(jié)構(gòu)振動模態(tài)與共振特性問題等，為實(shí)際工作整體葉盤耦合振動的預(yù)測與分析提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王春潔，宋順廣，宗曉.壓氣機(jī)中葉片輪盤耦合結(jié)構(gòu)振動分析[J] .航空動力學(xué)報(bào)，2007，22(7)：1065-1068.

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Coupling Vibration Characteristics Analysis of Holistic Bladed Disk

SUN Haolin，WU Yahui，ZHU Zhenyu

(Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：A 3-D entity model of aero-engine holistic bladed disk is established and the natural model of vibration is analysed to the coupling vibration characteristics.According to the calculations of the FEA software of ANSYS，we get the resonance speed Campbell figure of the blade，analyse the basic characteristics of structure model vibration and get the pitch-frequency figure of holistic bladed disk.The results supply the reliable assurance for further studies on the structure optimization design and avoidance of resonating of the bladed disk.

Key words：holistic bladed disk；coupling vibration；natural model；finite element；resonance characteristics

作者簡介：孫浩琳(1989-)，男，碩士研究生，主要研究發(fā)動機(jī)葉尖間隙檢測與校準(zhǔn)。

基金項(xiàng)目：中國航空工業(yè)集團(tuán)公司技術(shù)創(chuàng)新基金(2013F30441R)

收稿日期：2015-08-24

中圖分類號：TB53；V232.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)05-0028-03

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.06