風(fēng)扇轉(zhuǎn)子動(dòng)特性試驗(yàn)與分析

葛向東，高 強(qiáng)，路 陽(yáng)，楊 雷，安中彥

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械的飛速發(fā)展，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究也在不斷深入[1-3]，但受客觀條件的限制，研究大多集中在理論分析、數(shù)值模擬和模擬轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)驗(yàn)證方面[4-5]，對(duì)工程中航空發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)研究很少，且僅停留在轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)、破裂、疲勞等強(qiáng)度試驗(yàn)層面，而對(duì)于全尺寸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究尤為匱乏[6-7]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是1種復(fù)雜的高速旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械，各部分無(wú)論在構(gòu)造、材料、工藝以及運(yùn)動(dòng)形態(tài)上存在很大差別，要從理論上做出嚴(yán)格、精確的動(dòng)力學(xué)特性分析具有很大難度[8-9]。

本文利用臥式轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器，測(cè)量風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)，評(píng)估工作轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)子不平衡量變化規(guī)律，分析得到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在典型轉(zhuǎn)速下的工作彈性線，研究風(fēng)扇轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下動(dòng)力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)影響因素[10-11]，可為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制研究提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)件

本次試驗(yàn)以風(fēng)扇轉(zhuǎn)子為試驗(yàn)件，共分4種狀態(tài)：

狀態(tài)1：風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸，如圖1所示；

狀態(tài)2：風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸+第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，如圖2所示；

狀態(tài)3：風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸+第2級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，如圖3所示；

狀態(tài)4：風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸+第3級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，如圖4所示。

為對(duì)比多功能軸安裝緊度對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響，將狀態(tài)1又分為轉(zhuǎn)子2級(jí)盤軸與多功能軸間0.08 mm和0.13 mm 2個(gè)過盈配合狀態(tài)。

圖1 風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸試驗(yàn)件

圖2 風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸+第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片試驗(yàn)件

圖3 風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸+第2級(jí)轉(zhuǎn)子葉片試驗(yàn)件

圖4 風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸+第3級(jí)轉(zhuǎn)子葉片試驗(yàn)件

其中對(duì)狀態(tài)1的試驗(yàn)件（風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸）進(jìn)行800 r/min低速工藝動(dòng)平衡時(shí)，應(yīng)盡可能將其平衡量控制在100 g·mm以內(nèi)。

在完成低速動(dòng)平衡以后，在平衡機(jī)上參照如圖1所示位置測(cè)量A、B、C和D 4個(gè)位置的徑向跳動(dòng)值，各測(cè)量面及基準(zhǔn)面位置定義見表1。

表1 測(cè)量面和基準(zhǔn)面位置說(shuō)明

1.2 測(cè)試方案

本次試驗(yàn)在臥式轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器上進(jìn)行。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器由動(dòng)力電控系統(tǒng)、增速器、密封器、真空箱、試驗(yàn)轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)、真空潤(rùn)滑系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、液壓開蓋系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電加熱裝置、測(cè)試系統(tǒng)等組成，如圖5所示。

圖5 臥式轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器

風(fēng)扇轉(zhuǎn)子動(dòng)特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子動(dòng)特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

在試驗(yàn)中，應(yīng)用位移傳感器（電渦流傳感器）測(cè)量各截面的振動(dòng)響應(yīng)，傳感器支撐座和單前支點(diǎn)布置加速度傳感器用于評(píng)估試驗(yàn)中試驗(yàn)器基礎(chǔ)振動(dòng)環(huán)境。試驗(yàn)安裝及測(cè)試如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)安裝及測(cè)試

1.3 試驗(yàn)流程

（1）完成狀態(tài)1轉(zhuǎn)子試驗(yàn)件（風(fēng)扇盤轂組合件+多功能軸）的平衡及徑向跳動(dòng)測(cè)量工作。

（2）將試驗(yàn)件安裝到臥式轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器上，首先進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)，按調(diào)試轉(zhuǎn)速譜開車2次，對(duì)比2次開車的振動(dòng)響應(yīng)（如圖8所示），并記錄設(shè)備支點(diǎn)振動(dòng)、溫度等參數(shù)。

（3）重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證通過后，按轉(zhuǎn)速譜進(jìn)行正式試驗(yàn)，如圖9所示。每個(gè)臺(tái)階停留1～2 min，測(cè)量轉(zhuǎn)子 A、B、C和 D位置的振動(dòng)響應(yīng)，并記錄設(shè)備支點(diǎn)振動(dòng)、溫度等參數(shù)。

（4）每個(gè)狀態(tài)采用三圓法對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)行試重（3300 g·mm），在配重面（配重面為第1級(jí)盤前和第3級(jí)盤后）3次施加試配重（O為不加配重情況），試重位置F、S、T 如圖 10所示。

圖8 調(diào)試轉(zhuǎn)速譜

圖10 試重位置

（5）每次試配重均按要求運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量轉(zhuǎn)子A、B、C和D位置的振動(dòng)響應(yīng)，采用三圓法計(jì)算風(fēng)扇轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量。

（6）完成上述全部試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行平衡及跳動(dòng)檢查工作。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 數(shù)據(jù)可信度分析

重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

從圖中可見，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子盤轂2次開車振動(dòng)重復(fù)性較好，數(shù)據(jù)可信度較高。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為4000 r/min時(shí)，傳感器測(cè)振支架存在共振，在后續(xù)試驗(yàn)分析中剔除該轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，在其他轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)器支撐及測(cè)振支架垂向振動(dòng)遠(yuǎn)小于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子振動(dòng)，測(cè)試結(jié)果真實(shí)可用，見表2。

圖11 2次開車過程中各截面振動(dòng)響應(yīng)

表2 傳感器支承座振動(dòng)情況

2.2 不平衡量計(jì)算

試驗(yàn)按照上述試驗(yàn)方案中試驗(yàn)件的狀態(tài)順序依次進(jìn)行，測(cè)量轉(zhuǎn)子A、B、C和D位置的振動(dòng)響應(yīng)，采用三圓法計(jì)算風(fēng)扇轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量，其試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在3300 g·mm試重條件下[12-13]，在轉(zhuǎn)速為1000～2000 r/min的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)變化不敏感，故分析中剔除該轉(zhuǎn)速，計(jì)算測(cè)試結(jié)果見表3，并如圖12所示。

從風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在5種狀態(tài)典型轉(zhuǎn)速下不平衡量計(jì)算結(jié)果及趨勢(shì)分析可知：在不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子未帶葉片狀態(tài)不平衡量差異較?。伙L(fēng)扇盤轂+第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片狀態(tài)不平衡量變化差異最大，高/低差大于5000 g·mm。因第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片尺寸最大，、在工作狀態(tài)下力學(xué)邊界（如葉片凸肩、葉根配合狀態(tài)或罩量）易發(fā)生變化，導(dǎo)致第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片對(duì)不平衡量的影響明顯大于第2、3級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的[14-15]。綜上所述，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量非恒定不變，而是存在隨轉(zhuǎn)速明顯變化的特征。

表3 動(dòng)不平衡量測(cè)試結(jié)果

2.3 轉(zhuǎn)子彈性線

從轉(zhuǎn)子彈性線能非常明顯地看出轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下彈性變形沿軸向的分布情況，也能看出在不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子連接剛性的變化規(guī)律，對(duì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性分析具有重要意義。

通過窄帶跟蹤濾波提取出轉(zhuǎn)子在各典型轉(zhuǎn)速下的基頻時(shí)域波形，畫出轉(zhuǎn)子彈性線。

圖12 典型轉(zhuǎn)速下不平衡量變化趨勢(shì)

不同緊度過盈條件下風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6000 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)子彈性線對(duì)比如圖13～16所示。

圖13 0.08 mm過盈配合6000 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)時(shí)域波形

圖14 0.08 mm過盈配合6000 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子彈性線

圖15 0.13 mm過盈配合6000 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)時(shí)域波形

圖16 0.13 mm過盈配合6000 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子彈性線

不同緊度過盈條件下風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為7000 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)子彈性線對(duì)比如圖17～20所示。

圖17 0.08 mm過盈配合7000 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)時(shí)域波形

圖18 0.08 mm過盈配合7000 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子彈性線

圖19 0.13 mm過盈配合7000 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)時(shí)域波形

圖20 0.13 mm過盈配合7000 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子彈性線

從以上對(duì)比分析可知：在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子盤轂未加試重狀態(tài)下，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（不含多功能軸）在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)以平動(dòng)及俯仰等剛體振型為主，轉(zhuǎn)子本身無(wú)撓曲變形。

第2級(jí)盤軸與多功能軸為套齒連接結(jié)構(gòu)，在理想工作狀態(tài)下二者應(yīng)配合良好，無(wú)相對(duì)振動(dòng)，但實(shí)際上多功能軸與第2級(jí)盤軸配合處于1種“非同步”振動(dòng)狀態(tài)，隨轉(zhuǎn)速提高，二者之間均存在明顯等效連接剛度損失現(xiàn)象，配合不協(xié)調(diào)。其中在6000 r/min附近最差。如圖21、22所示。

圖21 多功能軸（0.08 mm過盈配合）與第2級(jí)盤軸在不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)差值

圖22 多功能軸（0.13 mm過盈配合）與第2級(jí)盤軸在不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)差值

結(jié)合整機(jī)試車風(fēng)扇振動(dòng)情況，得知轉(zhuǎn)速為6000 r/min是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，通過計(jì)算進(jìn)一步獲得該振型為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子俯仰振型。因轉(zhuǎn)子過臨界振動(dòng)大主要與轉(zhuǎn)子不平衡量偏大相關(guān)，通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)子本機(jī)平衡試驗(yàn)得以充分驗(yàn)證，如圖23所示。

圖23 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子本機(jī)平衡試驗(yàn)前后結(jié)果

雖預(yù)設(shè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子第2級(jí)盤軸與多功能軸2種過盈配合狀態(tài)，但二者間振動(dòng)差值未發(fā)生明顯變化，表明該調(diào)整不足以影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性，其結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的深度改進(jìn)提供了支持和借鑒。

2.4 轉(zhuǎn)子動(dòng)特性相位分析

在試驗(yàn)中通過鍵相產(chǎn)生每圈1個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，以此為基準(zhǔn)可以測(cè)出各測(cè)點(diǎn)在同一次試驗(yàn)過程中的相位變化，如圖24所示。

圖24 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子振動(dòng)相頻曲線

從圖中可見，轉(zhuǎn)速在3000 r/min以上，多功能軸截面振動(dòng)超前于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子達(dá)到振動(dòng)高點(diǎn)，隨轉(zhuǎn)速增加，相位超前量增大。從轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性曲線可知，此現(xiàn)象為轉(zhuǎn)子振動(dòng)相位滯后導(dǎo)致，多功能軸截面振動(dòng)相位未發(fā)生明顯變化，帶葉片狀態(tài)與未帶葉片狀態(tài)變化趨勢(shì)相同。

3 結(jié)論

（1）通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在5種狀態(tài)下不平衡量研究結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子不平衡量存在隨轉(zhuǎn)速明顯變化的規(guī)律。在中、高轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇盤轂+第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片狀態(tài)不平衡量變化差異最大，其影響明顯大于第2、3級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的。分析認(rèn)為該現(xiàn)象可能與第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片尺寸過大，導(dǎo)致其工作狀態(tài)力學(xué)邊界易發(fā)生變化相關(guān)。

（2）通過轉(zhuǎn)子彈性線研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（不含多功能軸）在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)沿軸線方向未發(fā)生較大撓性變形，不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇轉(zhuǎn)子以準(zhǔn)剛體形式存在，表明該轉(zhuǎn)子為剛體型轉(zhuǎn)子。

（3）多功能軸與第2級(jí)盤軸配合狀態(tài)隨轉(zhuǎn)速加快，等效連接剛度逐漸變小，且在2種過盈配合狀態(tài)下差異不大。在轉(zhuǎn)速為6000 r/min時(shí)最差，通過本機(jī)平衡試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速特征。

（4）從轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性曲線可知，多功能軸振動(dòng)相位明顯領(lǐng)先風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，主要為轉(zhuǎn)子振動(dòng)相位滯后導(dǎo)致，其規(guī)律與葉片狀態(tài)無(wú)關(guān)。

本文所述試驗(yàn)方法可系統(tǒng)地研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性，包括不平衡量變化規(guī)律、結(jié)構(gòu)變量因素影響、轉(zhuǎn)子彈性線、轉(zhuǎn)子相位等，具有重大工程意義，其試驗(yàn)方案、測(cè)試方案、數(shù)據(jù)分析方案均可在其他轉(zhuǎn)子件動(dòng)特性試驗(yàn)上推廣應(yīng)用。