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    帶柔性過渡段懸臂動力渦輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究

    2019-05-18 08:10:06劉文魁鄧旺群唐虎標(biāo)
    燃氣渦輪試驗與研究 2019年2期
    關(guān)鍵詞:振動

    劉文魁,鄧旺群,盧 波,孫 勇,唐虎標(biāo)

    (1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所,湖南株洲412002;2.中國航空發(fā)動機集團航空發(fā)動機振動技術(shù)重點實驗室,湖南株洲412002)

    1 引言

    航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境異常復(fù)雜,其動力學(xué)研究一直是發(fā)動機研制的關(guān)鍵問題之一。而航空發(fā)動機向著更高轉(zhuǎn)速、更高性能方向發(fā)展,使得其轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題更為突出。許多科研人員在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作。如鄧旺群等[1-3]對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的動力特性及高速動平衡技術(shù)進行了深入研究,吳長波等[4]對小型航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的連接剛性進行了分析與驗證,聶衛(wèi)健等[5]研究了高速柔性轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速隨支承剛度和輪盤質(zhì)量的變化規(guī)律,張力等[6]對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的建模方法和振動特性進行了相關(guān)研究。

    現(xiàn)代先進渦軸發(fā)動機由于普遍采用前輸出軸方案,其動力渦輪轉(zhuǎn)子必須同心穿過燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子內(nèi)腔伸到發(fā)動機前端,導(dǎo)致動力渦輪轉(zhuǎn)子是一個超彎曲型臨界轉(zhuǎn)速工作的高速柔性轉(zhuǎn)子,其動不平衡是影響發(fā)動機振動超限的重要原因[7]。到目前為止,國內(nèi)已成功對簡支動力渦輪轉(zhuǎn)子開展了系統(tǒng)的動力學(xué)研究,為型號研制做出了重要貢獻[8-11],但對于帶柔性靜子部件的懸臂動力渦輪轉(zhuǎn)子,國內(nèi)外還未開展過系統(tǒng)的研究。本文以某渦軸發(fā)動機帶柔性過渡段懸臂動力渦輪轉(zhuǎn)子為研究對象,針對轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題開展系統(tǒng)的計算分析和試驗研究,以期為發(fā)動機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速達標(biāo)提供有力保證。

    2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

    帶柔性過渡段懸臂動力渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。該轉(zhuǎn)子具有空心、薄壁、大長徑比、內(nèi)置測扭基準(zhǔn)軸、動力渦輪盤懸臂等結(jié)構(gòu)特點,主要由兩級動力渦輪盤、短軸、傳動軸、測扭基準(zhǔn)軸等零部件組成,采用2-2-0的支承方式。功率輸出端支承為單排球軸承(1號軸承)和圓柱滾子軸承(2號軸承),動力渦輪盤端支承均為圓柱滾子軸承(5號和6號軸承)。1號和2號軸承采用噴射潤滑方式,5號和6號軸承采用軸向環(huán)下潤滑方式。1號和5號軸承直接支承在軸承座上,2號和6號軸承位置采用帶擠壓油膜阻尼器的鼠籠式彈支結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子上共設(shè)計了5個平衡校正面,分別位于1號、2號、3號、4號平衡凸臺(5號凸臺由于其上有通氣孔而不能作為平衡凸臺使用)和第2級動力渦輪盤。

    圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch diagram of the rotor structure

    3 轉(zhuǎn)子有限元分析

    3.1 有限元模型

    圖2為運用梁單元建立的轉(zhuǎn)子有限元模型,包括梁單元、集中質(zhì)量單元、軸承單元和剛性連接單元。建立有限元模型時,對轉(zhuǎn)子局部結(jié)構(gòu)進行簡化,忽略一些細小的局部結(jié)構(gòu)(如倒角、小孔等),并將測扭基準(zhǔn)軸和兩級渦輪葉片及部分輪盤分別用6個和2個集中質(zhì)量單元模擬,4個支承用軸承單元模擬。2號和6號支承的剛度取相應(yīng)鼠籠彈支剛度的實測值,分別為0.615×107N/m和0.633×107N/m;1號和5號軸承直接裝在軸承座上,根據(jù)經(jīng)驗其支承剛度均取5.000×107N/m。這種處理方式對于靜子結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子是合理的[11],但對于帶柔性過渡段的動力渦輪轉(zhuǎn)子存在較大計算誤差。由于柔性過渡段的存在相當(dāng)于降低了5號和6號的支承剛度(不對1號和2號的支承剛度造成影響),為此提出一種5號和6號支承剛度的修正方法并推算出柔性過渡段的徑向剛度[12],修正前、后4個支承的剛度見表1。

    圖2 有限元模型Fig.2 Finite element calculation model

    表1 修正前、后轉(zhuǎn)子4個支承的剛度 107N/mTable 1 Rotor supporting stiffness before and after correction

    3.2 有限元分析

    3.2.1 臨界轉(zhuǎn)速計算值及裕度

    文中對慢車轉(zhuǎn)速和額定工作轉(zhuǎn)速進行評定的臨界轉(zhuǎn)速裕度定義分別見式(1)和式(2)。

    前三階臨界轉(zhuǎn)速計算值及裕度見表2。第一、第二階臨界轉(zhuǎn)速低于慢車轉(zhuǎn)速,對慢車轉(zhuǎn)速進行評定;第三階臨界轉(zhuǎn)速高于額定工作轉(zhuǎn)速,對額定工作轉(zhuǎn)速進行評定??梢?,轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在兩階(第一、第二階)臨界轉(zhuǎn)速;第一階和第三階臨界轉(zhuǎn)速裕度滿足設(shè)計準(zhǔn)則[7]要求(臨界轉(zhuǎn)速裕度≮20%),但第二階臨界轉(zhuǎn)速相對于慢車轉(zhuǎn)速的裕度只有16.31%,其設(shè)計是否滿足要求有待后續(xù)試驗驗證。轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速下主要受第二階模態(tài)的影響。

    表2 臨界轉(zhuǎn)速計算值及其裕度Table 2 Calculation results of critical speeds and speed margins

    3.2.2 振型計算結(jié)果

    圖3給出了轉(zhuǎn)子的前三階振型。從中可看出,轉(zhuǎn)子前三階振型均為彎曲振型,主要是由于傳動軸非常細長、剛度較小所致,可知動力渦輪轉(zhuǎn)子是帶細長柔性軸的高速柔性轉(zhuǎn)子;2號平衡凸臺位于第一階振型的反節(jié)點(峰值點)位置附近,3號平衡凸臺位于第二階振型的反節(jié)點位置附近。

    圖3 轉(zhuǎn)子前三階振型Fig.3 The first three order vibration modes of the rotor

    3.2.3 穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)計算結(jié)果

    依次在轉(zhuǎn)子的5個平衡校正面上施加1 g·mm的不平衡量,計算6個特征位置(1號、2號、3號、4號平衡凸臺和第1級、第2級動力渦輪盤)的穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng),計算結(jié)果見圖4。圖中,相對轉(zhuǎn)速均為轉(zhuǎn)子實際工作轉(zhuǎn)速與額定工作轉(zhuǎn)速之比。從圖可知:各特征位置一階不平衡響應(yīng)對5個平衡校正面上的不平衡量均不敏感,二階不平衡響應(yīng)對2號、3號和4號平衡凸臺上的不平衡量非常敏感。因此,要平衡轉(zhuǎn)子的第二階模態(tài),應(yīng)優(yōu)先考慮選取2號、3號、4號平衡凸臺作為平衡校正面。額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),各特征位置對1號平衡凸臺和第2級動力渦輪盤上的不平衡量的響應(yīng)均較小,因此選擇1號平衡凸臺和第2級動力渦輪盤作為平衡校正面只能取得很有限的平衡效果。第1級、第2級動力渦輪盤對各個平衡校正面上的不平衡量的響應(yīng)均很小,這對兩級動力渦輪盤的葉尖間隙設(shè)計十分有利。

    圖4 在不同平衡校正面上添加1 g·mm不平衡量時的穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)曲線Fig.4 Curves of the steady unbalance responses after adding 1 g·mm unbalance amount in different balancing planes

    4 轉(zhuǎn)子動力學(xué)試驗

    4.1 試驗裝置

    動力學(xué)試驗在臥式高速旋轉(zhuǎn)試驗器上進行。通過兩端帶花鍵的浮動軸連接轉(zhuǎn)子和試驗設(shè)備,在試驗中實現(xiàn)動力輸入。通過光電傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變片和熱電偶分別測量轉(zhuǎn)子撓度、支座和轉(zhuǎn)接段上的振動加速度、彈性支承應(yīng)變和軸承溫度。試驗過程中轉(zhuǎn)子的安裝及測試示意圖見圖5。圖中,⊥表示垂直方向,=表示水平方向,A1~A6為加速度傳感器,D1~D4為振動位移傳感器,S1~S4為測量彈支應(yīng)變的應(yīng)變計,T1~T2為測量軸承溫度的熱電偶。

    圖5 轉(zhuǎn)子在試驗過程中的安裝及測試示意圖Fig.5 Installation and measurement sketch of the rotor during experiment

    4.2 軸向環(huán)下潤滑設(shè)計的檢查與驗證

    轉(zhuǎn)子5號和6號軸承采用軸向環(huán)下潤滑技術(shù)在國內(nèi)渦軸發(fā)動機上為首次(供油示意圖見圖6),其難度大,風(fēng)險高。環(huán)下潤滑設(shè)計是否合理可靠對轉(zhuǎn)子工作的安全性有決定性的影響,必須對其進行細致的檢查和驗證。

    (1) 著色檢查。裝配前,對圖6中A、B、C、D四個貼合面進行了著色檢查,各貼合面間均形成了連續(xù)不間斷的著色帶,表明相關(guān)零件貼合面間滿足密封要求,保證了滑油不從結(jié)合面處泄漏。

    (2)滑油噴嘴的流量、流向試驗及其裝軸承座的打靶試驗。模擬發(fā)動機工況下,圖7所示φ0.8 mm噴嘴孔流量要求值為0.69~0.74 L/min,兩件滑油噴嘴流量實測值均為0.70 L/min,流量滿足要求。距離φ0.8 mm噴嘴孔口11.0 mm處使用φ1.0 mm的靶孔進行檢查,兩件滑油噴嘴滑油通過率均達到80%以上,流向滿足要求。

    滑油噴嘴裝軸承座的打靶試驗方案示意圖見圖8,兩個滑油噴嘴出口噴射的滑油均能全部通過靶位。打靶試驗結(jié)束后,對滑油噴嘴周向位置進行標(biāo)記,后續(xù)裝配時按標(biāo)記位置進行周向定位。

    圖6 軸向環(huán)下供油示意圖Fig.6 Sketch of the axial inner ring oil supplying

    圖7 噴嘴示意圖Fig.7 Sketch of the jet nozzle

    圖8 打靶示意圖Fig.8 Sketch of the shooting

    (3)供油、回油檢查。轉(zhuǎn)子安裝在試驗器上后,孔探儀檢查滑油能正常噴射到5號和6號軸承集油槽內(nèi),供油狀態(tài)正常,同時目視檢查轉(zhuǎn)子回油接口回油正常。

    (4)初步驗證試驗。將轉(zhuǎn)子開車到10 000 r/min后停車,立即用孔探儀對5號軸承的供油情況進行檢查,觀察到滾棒上有滑油流動痕跡,確認(rèn)5號軸承潤滑正常,即軸向環(huán)下潤滑正常。

    (5)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的驗證試驗。將轉(zhuǎn)子開車到額定工作轉(zhuǎn)速,由T1和T2熱電偶測得的全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的溫度-轉(zhuǎn)速曲線見圖9。從圖可知:在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),由T1、T2熱電偶測得的6號和2號軸承的溫度均不大于55.3℃,說明6號和2號軸承均得到良好潤滑。此外,高轉(zhuǎn)速下T1熱電偶測得的軸承溫升遠小于T2熱電偶測得的軸承溫升,表明高轉(zhuǎn)速下軸向環(huán)下潤滑的冷卻效率比噴射潤滑的高。

    圖9 溫度-轉(zhuǎn)速曲線Fig.9 Curves of temperature versus speed

    4.3 動力學(xué)試驗

    4.3.1 初始狀態(tài)(高速動平衡前)

    初始狀態(tài)下,由D1~D4傳感器測得的額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子撓度-轉(zhuǎn)速曲線如圖10所示。由圖可知:動力渦輪轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有兩個共振峰值,說明轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在兩階臨界轉(zhuǎn)速;傳動軸在臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生了明顯的彎曲變形,說明轉(zhuǎn)子的振型為彎曲振型;初始狀態(tài)下,轉(zhuǎn)子可以平穩(wěn)越過兩階彎曲臨界轉(zhuǎn)速并運行至額定工作轉(zhuǎn)速,但額定工作轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度相對較大,說明有必要在額定工作轉(zhuǎn)速下對轉(zhuǎn)子進行高速動平衡。

    圖10 初始狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子撓度-轉(zhuǎn)速曲線Fig.10 Curves of rotor deflection versus speed under initial condition

    4.3.2 高速動平衡試驗

    平衡方法為多轉(zhuǎn)速、多平面、分步平衡的影響系數(shù)法[13],平衡轉(zhuǎn)速為額定工作轉(zhuǎn)速;平衡面為2號、3號和4號平衡凸臺;測量面為D1~D4傳感器所在平面。

    高速動平衡過程及平衡效果見表3。從表可知:經(jīng)過三輪高速動平衡操作后,動力渦輪轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速下的撓度均較小。

    高速動平衡過程中,曾嘗試選取1號平衡凸臺作為平衡校正面進行平衡,但平衡效果僅為5.7%。這是由于1號平衡凸臺的軸向位置(靠近轉(zhuǎn)子第二階振型的節(jié)點位置)設(shè)置不合理,導(dǎo)致其在平衡過程中失去了使用價值。據(jù)此,提出將1號平衡凸臺向2號平衡凸臺方向偏移20.0 mm以上的改進建議。該改進建議已被設(shè)計部門采納,改進前后1號平衡凸臺的軸向位置見圖11。

    表3 高速動平衡過程及平衡轉(zhuǎn)速下的平衡效果Table 3 Process of high speed dynamic balance and balance results of balance speed

    圖11 傳動軸示意圖Fig.11 Sketch of the transmission shaft

    4.3.3 高速動平衡后

    高速動平衡后,由D1~D4傳感器測得的額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子撓度-轉(zhuǎn)速曲線如圖12所示。從圖中可以得到轉(zhuǎn)子前兩階臨界轉(zhuǎn)速的試驗值和裕度,見表4。從表中可知:在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子存在兩階臨界轉(zhuǎn)速,第一階臨界轉(zhuǎn)速裕度47.41%滿足臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計準(zhǔn)則要求,第二階臨界轉(zhuǎn)速裕度19.11%略低于臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計準(zhǔn)則要求。

    圖12 高速動平衡后的轉(zhuǎn)子撓度-轉(zhuǎn)速曲線Fig.12 Curves of rotor deflection versus speed

    表4 前兩階臨界轉(zhuǎn)速試驗值及其裕度Table 4 The measuring results of the first two order criticalspeeds and margins of critical speeds

    對比分析表2和表4可以得到前兩階臨界轉(zhuǎn)速計算誤差,見表5。可見,前兩階臨界轉(zhuǎn)速計算值與試驗值非常吻合,誤差均不大于3.45%,說明本文建立的有限元模型很好地反映了轉(zhuǎn)子的實際情況。

    表5 前兩階臨界轉(zhuǎn)速計算誤差Table 5 Calculation errors of the first two order critical speeds

    對比分析圖10和圖12可以得到臨界轉(zhuǎn)速和額定工作轉(zhuǎn)速下基于轉(zhuǎn)子撓度的高速動平衡效果,見表6。從表中可知,高速動平衡使轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、額定工作轉(zhuǎn)速下的振動幅值分別下降了41.3%~60.6%和35.7%~88.6%,顯著減小了轉(zhuǎn)子的動撓度,平衡效果顯著。

    表6 基于轉(zhuǎn)子撓度的平衡效果Table 6 The balance effects based on rotor deflection

    此外,對比分析高速動平衡前、后轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速和額定工作轉(zhuǎn)速下的最大振動加速度和彈支應(yīng)變,可以得到基于振動加速度和彈支應(yīng)變的平衡效果,見表7。從表中可知,高速動平衡使臨界轉(zhuǎn)速和額定工作轉(zhuǎn)速下的最大振動加速度分別減小了23.2%和10.8%,使最大彈支應(yīng)變分別減小了42.8%和41.8%,顯著減小了軸承的外傳力。

    從圖12還可看出,在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子除存在兩階臨界轉(zhuǎn)速外,還存在第三個共振峰值。通過對帶轉(zhuǎn)接段的動力渦輪轉(zhuǎn)子進行模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)第三個振動峰值是由動力渦輪盤端試驗轉(zhuǎn)接段的共振頻率(296 Hz)引起。為消除轉(zhuǎn)接段的共振頻率,對動力渦輪盤端試驗轉(zhuǎn)接段進行了改進設(shè)計,改進前后的試驗轉(zhuǎn)接段示意圖見圖13。模態(tài)分析表明,改進后的轉(zhuǎn)接段在轉(zhuǎn)子額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)沒有共振頻率。

    表7 基于振動加速和彈支應(yīng)變的平衡效果Table 7 The balance effects based on vibration acceleration and elastic supporting strain

    圖13 改進前后試驗轉(zhuǎn)接段示意圖Fig.13 Sketch of the connection parts before and after refinement

    4.3.4 慢車轉(zhuǎn)速下的振動考核試驗

    鑒于動力渦輪轉(zhuǎn)子第二階臨界轉(zhuǎn)速對慢車轉(zhuǎn)速的裕度低于20%,為確保發(fā)動機在臺架試車中轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗(動力渦輪轉(zhuǎn)子將在慢車轉(zhuǎn)速下停留)的安全性,對高速動平衡后的動力渦輪轉(zhuǎn)子在慢車轉(zhuǎn)速下進行了5 min的考核試驗。試驗中,每隔1 min記錄各測點的轉(zhuǎn)子撓度、振動加速度、彈支應(yīng)變和軸承溫度,測量結(jié)果及其變化情況見表8。由表中可知,轉(zhuǎn)子撓度、振動加速度、彈支應(yīng)變和軸承溫度的測量值分別不大于 177 μm、23 m/s2、135 με和 52.2℃,變化率均小于20%。尤其是各測量值在3 min以后均幾乎不再變化,說明轉(zhuǎn)子狀態(tài)非常穩(wěn)定,第二階臨界轉(zhuǎn)速相對于慢車轉(zhuǎn)速的裕度足夠,可以在慢車轉(zhuǎn)速下長時間安全可靠地運行。

    表8 測量值及其變化情況Table 8 Measuring values and their change situation

    5 整機臺架試車

    發(fā)動機在整機臺架試車中的安裝及振動測試示意圖見圖14。圖中Jz/Jy、Fz/Fy、Kz/Ky和Tz/Ty分別表示測量進氣機匣、附件機匣、擴壓機匣后安裝邊和熱端機匣后安裝邊水平/垂直方向的振動。

    圖14 發(fā)動機在整機臺架上的安裝及振動測試示意圖Fig.14 Installation and measurement sketch of the engine at test rig

    在整個推轉(zhuǎn)速過程中,8個測點的振動測量值均不大于22.1 mm/s,表明整機振動狀態(tài)良好。發(fā)動機地面慢車轉(zhuǎn)速和100%燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下由動力渦輪轉(zhuǎn)子和燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子基頻引起的各測點振動值見表9。表中,Np表示動力渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,Ng表示燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,fp表示動力渦輪轉(zhuǎn)子基頻,fg表示燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子基頻。從表中可知,由動力渦輪轉(zhuǎn)子基頻引起的各測點振動值均不大于11.2 mm/s,說明高速動平衡后的動力渦輪轉(zhuǎn)子在整機臺架試車過程中的振動特性非常好。

    表9 發(fā)動機各測點的振動速度值(基頻)Table 9 Vibration velocity values of all measuring points(fundamental frequency)

    6 結(jié)論

    針對某渦軸發(fā)動機帶柔性過渡段懸臂動力渦輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)開展了系統(tǒng)的計算分析和試驗研究,主要結(jié)論如下:

    (1)建立的帶柔性過渡段懸臂動力渦輪轉(zhuǎn)子計算模型能很好地反映轉(zhuǎn)子的實際狀況,該轉(zhuǎn)子在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在兩階臨界轉(zhuǎn)速,各階振型均為彎曲振型,是一個超兩階彎曲臨界轉(zhuǎn)速工作的高速柔性轉(zhuǎn)子。

    (2)高速動平衡大幅減小了動力渦輪轉(zhuǎn)子的動撓度和軸承的動反力,平衡效果顯著。高速動平衡后的轉(zhuǎn)子可以在慢車轉(zhuǎn)速下安全可靠地運行,第二階臨界轉(zhuǎn)速相對于慢車轉(zhuǎn)速有足夠的裕度,轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計合理。

    (3)動力渦輪轉(zhuǎn)子在發(fā)動機整機臺架試車中的振動特性非常好,為發(fā)動機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速達標(biāo)提供了有力保證。

    (4)驗證了5號和6號軸承的軸向環(huán)下潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,提出了改進1號平衡凸臺軸向位置的建議并已被采納。改進設(shè)計后的試驗轉(zhuǎn)接段消除了原轉(zhuǎn)接段在轉(zhuǎn)子額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在的共振頻率,提高了后續(xù)試驗的安全性。

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