航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤軸系統(tǒng)響應(yīng)特性分析

馬德寶，黨鵬飛

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，110142，遼寧沈陽(yáng)）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，它為機(jī)組的正常飛行提供動(dòng)力，而葉盤軸系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，當(dāng)外部激振頻率與系統(tǒng)的葉片的固有頻率相同時(shí)，葉片將會(huì)發(fā)生共振[1]。一旦發(fā)生強(qiáng)烈共振，葉片很容易產(chǎn)生高周疲勞，發(fā)生失效斷裂導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的破壞，這嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤軸系統(tǒng)的振動(dòng)問題愈發(fā)得到重視[2]。傳統(tǒng)上葉片振動(dòng)設(shè)計(jì)主要考慮葉片自身、圍帶和拉筋等連接件的作用，以及輪盤對(duì)葉片的影響，而忽略軸系對(duì)葉片的影響。鄭彤[3]等將葉片簡(jiǎn)化為柔性薄板，考慮了面外變形和面內(nèi)變形以及變形耦合項(xiàng)，分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉盤耦合振動(dòng)特性。徐自力[4]等針對(duì)多級(jí)葉盤轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，考慮多級(jí)葉片彎曲變形和軸扭轉(zhuǎn)變形耦合作用，引入葉片離心剛化作用，求解出系統(tǒng)耦合模態(tài)，研究了葉盤固有頻率、葉片長(zhǎng)度、葉盤間距、葉片扭轉(zhuǎn)角對(duì)振動(dòng)特征的影響。

本文分別建立了不同軸徑的葉盤軸系統(tǒng)有限元模型，然后進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，研究了軸徑對(duì)葉盤軸系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響，為葉盤軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 葉盤軸系統(tǒng)建模

本文所研究的是航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤軸系統(tǒng)的響應(yīng)特性，因此忽略了部分裝配設(shè)計(jì)。其幾何尺寸如下：軸半徑r 為27.5 mm，軸長(zhǎng)180 mm，葉片的厚度、寬度、長(zhǎng)度分別為2 mm、25 mm、50 mm，軸與葉盤距離L為30 mm。為使得所建模型更加接近實(shí)際，材料選用密度為4 420 kg·m-3、楊氏模量為110.32 GPa、泊松比為0.31 的鈦合金，并將18 個(gè)葉片傾角均設(shè)置為15°，通過SolidWorks 軟件建立葉盤軸系統(tǒng)模型，如圖1 所示。

圖1 葉盤軸系統(tǒng)模型

2 不同軸徑葉盤軸系統(tǒng)諧響應(yīng)分析

將葉盤軸系統(tǒng)的軸半徑分別設(shè)為27.5 mm、30 mm、32.5 mm 和35 mm，并在0～3 200 Hz 范圍內(nèi)激振力為9.8 N 的激勵(lì)幅度下，對(duì)不同軸徑的葉盤軸系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)分析，不同軸徑的葉盤軸系統(tǒng)響應(yīng)幅值對(duì)比如圖2 所示。

圖2 不同軸徑葉盤軸系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)比圖

由圖2 可以看出：頻率在600 Hz 附近時(shí)，軸徑為35 mm 時(shí)響應(yīng)幅值最大，軸徑30 mm 時(shí)響應(yīng)幅值最小，是35 mm 時(shí)響應(yīng)幅值的4.9%；頻率范圍在850～12 50 Hz 范圍時(shí)，軸徑30 mm 響應(yīng)幅值為8.28×10-6mm，軸徑為32.5 mm 的響應(yīng)幅值為9.15×10-6mm；頻率在2 750 Hz 附近時(shí)，軸徑27.5 mm 響應(yīng)幅值最高，軸徑30 mm 響應(yīng)幅值最低，是27.5 mm 響應(yīng)幅值的6%。綜合以上三個(gè)頻率范圍來看，軸徑在22.5～35 mm時(shí)，30 mm 軸徑的系統(tǒng)響應(yīng)幅值相對(duì)較低。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）建立了葉盤軸系統(tǒng)模型，綜合分析了軸與葉盤的距離、軸徑對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響，為將來葉盤軸系統(tǒng)試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

（2）軸徑在22.5～35 mm 時(shí)，30 mm 軸徑時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)幅值相對(duì)較低。