渦扇發(fā)動機柔性轉(zhuǎn)子渦輪結(jié)構(gòu)改進與動力特性研究

聶衛(wèi)健，鄧旺群，陳亞農(nóng)，童 亞，鄒 磊

(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

轉(zhuǎn)子是航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件，現(xiàn)在中小型航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，轉(zhuǎn)速也越來越高，直接對真實轉(zhuǎn)子進行動力學(xué)試驗具有較大的風(fēng)險和困難。為此，在轉(zhuǎn)子方案設(shè)計階段，常常按照等效原則(連接結(jié)構(gòu)、支承布局、質(zhì)量慣性等保持與真實轉(zhuǎn)子一致)，設(shè)計和加工模擬轉(zhuǎn)子，以便進行動力學(xué)研究。鄧旺群、唐廣與劉文魁等對中小型航空發(fā)動機模擬轉(zhuǎn)子進行了系統(tǒng)的分析和試驗研究，為真實轉(zhuǎn)子的設(shè)計和試驗提供了支持，降低了研制風(fēng)險。然而，由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性復(fù)雜，在試驗過程中常會出現(xiàn)各種各樣的故障，必須加以排除。很多學(xué)者在轉(zhuǎn)子故障診斷方法和故障排除方面進行了理論分析和試驗研究。如高峰系統(tǒng)研究了航空發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子振動故障診斷方法；劉建雄針對某航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)，建立了耦合振動故障分析模型；黃國遠就轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡、不對中和碰磨振動故障進行了深入的仿真和實驗研究；劉楊等建立了雙盤不對中-碰摩耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力學(xué)模型和有限元模型，獲取了故障的動力學(xué)特性，為故障分析提供了理論依據(jù)；許琦等研究了多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合故障定量診斷方法，并通過實驗驗證了該方法的適用性；陳果等就航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子-滾動軸承-支承-機匣耦合系統(tǒng)的碰摩故障進行了計算分析和試驗驗證；鄧旺群等針對某小型渦扇發(fā)動機在試驗過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定和高轉(zhuǎn)速下振動超限振動故障，分析了故障原因，并驗證了排故措施的有效性。

某小型渦扇發(fā)動機模擬低壓轉(zhuǎn)子是一個帶細長軸、4 支點、跨兩階彎曲臨界工作的高速柔性轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)緊湊且十分復(fù)雜。本文針對該轉(zhuǎn)子在試驗過程中出現(xiàn)的非整數(shù)倍頻振動超限的振動故障和動力特性開展研究，分析了故障原因，提出了改進措施，進行了模擬低壓轉(zhuǎn)子動力特性試驗，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速達標(biāo)，排除了振動故障。研究結(jié)果為真實低壓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力學(xué)設(shè)計提供了技術(shù)支持。

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

模擬低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1 所示。轉(zhuǎn)子主要由5個模擬盤(包括兩級風(fēng)扇模擬盤、增壓級模擬盤和兩級低壓渦輪模擬盤)和低壓軸等零件組成。轉(zhuǎn)子采用4支點(0-3-1)支承方案，風(fēng)扇端懸臂，1號、5號支承分別采用鼠籠式和彈性環(huán)式彈性支承，2 號、6 號支承為剛性支承?？偟膩碚f，模擬低壓轉(zhuǎn)子具有多盤、多支點且一端懸臂的特點，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜和緊湊，給動力學(xué)設(shè)計和試驗帶來了很大的困難。

圖1 模擬低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the simulated low-pressure rotor

3 故障分析與結(jié)構(gòu)改進

模擬低壓轉(zhuǎn)子動力特性試驗在高速旋轉(zhuǎn)試驗器上進行，轉(zhuǎn)子安裝測試示意圖及試驗現(xiàn)場安裝照片分別見圖2 和圖3。試驗時，在圖2 所示①、②和③位置(轉(zhuǎn)子撓度測量面)布置位移傳感器(①和③位置垂直方向分別布置D和D位移傳感器，②位置垂直方向和水平方向分別布置D和D位移傳感器)，測量轉(zhuǎn)子的撓度；在各支座上均布置2個(垂直和水平方向各1個)振動加速度傳感器，測量各支座的振動加速度。圖2 中“⊥”、“＝”分別表示測量垂直方向和水平方向。

圖2 模擬低壓轉(zhuǎn)子在試驗器上的安裝及測試示意圖Fig.2 Installation and test schematic diagram of simulated low-pressure rotor

圖3 模擬低壓轉(zhuǎn)子試驗現(xiàn)場安裝照片F(xiàn)ig.3 Installation picture of the rotor

3.1 故障現(xiàn)象

在模擬低壓轉(zhuǎn)子動力特性試驗過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子運行至40%額定工作轉(zhuǎn)速時，由A傳感器(圖2 中B支座水平方向)測得的振動加速度總量值超過限制值，且隨著轉(zhuǎn)速升高急劇增大，無法安全試驗，隨即停車。對各支座振動加速度在40%額定工作轉(zhuǎn)速下的頻率成分和大小進行分析，結(jié)果如圖4 所示?？傮w來看，基頻值相對較小(各支座振動加速度基頻值均不大于1g)，存在較多的2.4 倍頻、3.2 倍頻、3.4 倍頻等非整數(shù)倍頻成分，頻率成分十分復(fù)雜。且非整數(shù)倍頻量值較大，最大的為B支座水平方向的3.2倍頻成分，其量值已逼近6g。因此，非整數(shù)倍頻成分量值大是引起振動加速度超限的主要原因。

圖4 40%額定工作轉(zhuǎn)速下支座振動加速度頻譜圖(故障狀態(tài))Fig.4 Frequency spectrum of vibration acceleration of support at 40 percent rated working speed(fault state)

3.2 故障分析

對模擬低壓轉(zhuǎn)子的兩級低壓渦輪模擬盤之間連接結(jié)構(gòu)及其與低壓軸的連接方式進行復(fù)查和分析。兩級低壓渦輪模擬盤之間采用6 個定位銷定心、止扣面定位(配合面僅有1.2 mm)，且定位銷與兩級低壓渦輪模擬盤為間隙配合，低壓渦輪一級模擬盤與低壓軸通過6 個花瓣式接觸面(非完整圓柱面且長度僅有1.5 mm)定心，低壓渦輪二級模擬盤與低壓軸通過圓柱面定心、花鍵連接傳扭，整個低壓渦輪模擬盤定心結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很可能導(dǎo)致低壓渦輪模擬盤在高轉(zhuǎn)速下定位不可靠而引發(fā)振動故障。低壓渦輪模擬盤的結(jié)構(gòu)見圖5。圖中，定位面1為低壓渦輪一級模擬盤與低壓軸的配合面，定位面2 為低壓渦輪二級模擬盤與低壓軸的配合面，以下同。

圖5 低壓渦輪模擬盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of turbine structure

3.3 渦輪結(jié)構(gòu)改進及臨界轉(zhuǎn)速分析

根據(jù)故障分析可知，必須保證低壓渦輪模擬盤在高轉(zhuǎn)速下定位可靠，減少中間不穩(wěn)定連接結(jié)構(gòu)。提出的低壓渦輪模擬盤結(jié)構(gòu)的改進措施為：取消6個定位銷，采用整體低壓渦輪模擬盤結(jié)構(gòu)形式，兩級低壓渦輪模擬盤與低壓軸均采用圓柱面定位、花鍵傳扭，且定位面均不小于5 mm。改進后的低壓渦輪模擬盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進后的低壓渦輪模擬盤Fig.6 Improved schematic diagram of turbine structure

低壓渦輪模擬盤結(jié)構(gòu)改進前后，在表1 的支承剛度下，模擬低壓轉(zhuǎn)子前三階臨界轉(zhuǎn)速及其裕度計算結(jié)果見表2。裕度的計算公式如下：

表1 支承剛度Table 1 The supporting stiffness

表2 渦輪模擬盤改進前后臨界轉(zhuǎn)速及其裕度計算結(jié)果Table 2 The calculation results of the first three stages including critical speeds and margin

從表2 可知，模擬低壓轉(zhuǎn)子前三階臨界轉(zhuǎn)速裕度均大于50%，滿足臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計準(zhǔn)則要求。低壓渦輪模擬盤結(jié)構(gòu)改進后，低壓模擬轉(zhuǎn)子的前三階臨界轉(zhuǎn)速基本沒有變化，表明改進后的低壓渦輪模擬盤結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速無實質(zhì)性影響。

4 試驗結(jié)果與分析

低壓渦輪模擬盤采取改進措施后(其他零部件結(jié)構(gòu)不變)，對模擬低壓轉(zhuǎn)子進行了動力特性試驗。圖7為4個位移傳感器測得的全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子撓度-相對轉(zhuǎn)速曲線。圖中，相對轉(zhuǎn)速表達式為：

圖7 4個位移傳感器測得的全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子撓度-相對轉(zhuǎn)速曲線Fig.7 The flexibility-speed curve of the rotor in the whole speed range measured by four displacement sensors

低壓渦輪模擬盤結(jié)構(gòu)改進后，轉(zhuǎn)子在40%額定工作轉(zhuǎn)速下的頻譜圖見圖8，各支座振動加速度在40%額定工作轉(zhuǎn)速下的總量值對比見表3。

圖8 40%額定工作轉(zhuǎn)速下支座振動加速度頻譜圖(改進后)Fig.8 Frequency spectrum of vibration acceleration of support at 40 percent rated working speed(after improved)

表3 低壓渦輪模擬盤改進前后40%額定工作轉(zhuǎn)速下振動加速度總量值對比Table 3 Comparison of total value of vibration acceleration at 40 percent rated working speed before and after improvement

從圖7、圖8 和表3 可以看出，低壓渦輪模擬盤結(jié)構(gòu)改進后，模擬低壓轉(zhuǎn)子能夠平穩(wěn)越過前兩階臨界轉(zhuǎn)速并安全運行至額定工作轉(zhuǎn)速，在整個試驗過程中表現(xiàn)出良好的振動特性；各支座振動加速度頻率成分較干凈，不存在非整數(shù)倍頻的頻率成分；各支座振動加速度總量值較改進前有了較大降低，降低幅度不低于37.35%。同時，根據(jù)試驗結(jié)果，得到模擬低壓轉(zhuǎn)子前兩階臨界轉(zhuǎn)速的試驗值及計算值誤差，見表4。計算誤差定義如下：

表4 臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比Table 4 Comparison between the calculated results and the test results

從表4 可知，模擬低壓轉(zhuǎn)子前兩階臨界轉(zhuǎn)速的計算誤差分別為3.42%和0.82%，均小于4%，計算結(jié)果與試驗結(jié)果非常吻合，建立的動力特性有限元計算模型很好地反映了模擬低壓轉(zhuǎn)子的實際情況。

5 結(jié)論

以結(jié)構(gòu)復(fù)雜的某小型渦扇發(fā)動機模擬低壓轉(zhuǎn)子為研究對象，針對非整數(shù)倍頻振動超限故障開展分析和研究，提出了渦輪結(jié)構(gòu)改進措施，并進行了動力特性分析和試驗驗證，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速達標(biāo)，為真實低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。主要結(jié)論如下：

(1) 復(fù)雜結(jié)構(gòu)航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)重視主要零部件的連接部位的定位可靠性，避免采用定位不可靠的中間連接結(jié)構(gòu)。

(2) 模擬低壓轉(zhuǎn)子跨兩階彎曲臨界轉(zhuǎn)速工作，臨界轉(zhuǎn)速裕度滿足要求，動力學(xué)設(shè)計合理。

(3) 故障定位準(zhǔn)確，提出的改進措施有效。采用改進措施后的模擬低壓轉(zhuǎn)子，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動特性良好，驗證了整個轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的合理性。