同心與非同心擠壓油膜阻尼器減振特性對比試驗研究

馮義，鄧旺群,2，劉文魁，袁勝，胡廷勛

（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）

擠壓油膜阻尼器（Squeeze film damper，SFD）作為現(xiàn)代航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中必不可少的減振元件，在抑制和隔離轉(zhuǎn)子振動、增強運動穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用[1]。按照是否帶有彈性支承結(jié)構(gòu)，SFD 可分為同心與非同心兩種形式。同心型SFD將擠壓油膜與彈性支承并聯(lián)，彈性支承可以為轉(zhuǎn)子提供靜載，同時具有調(diào)整系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的作用。非同心SFD 無彈性支承，占用空間小、安裝方便，但不具備靜載能力。靜止狀態(tài)下，非同心SFD 油膜內(nèi)環(huán)沉在底部，必須依靠轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的油膜力托起。目前，非同心SFD 在航空發(fā)動機中應用較少，且多數(shù)情況下用于轉(zhuǎn)子輔助支點處的減振設計。

多年來，國內(nèi)外學者針對同心與非同心擠壓油膜阻尼器開展了大量研究。文獻[2-3]研究了SFD的力學機理與減振特性；孟光[4]對柔性轉(zhuǎn)子-同心型SFD系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)特性進行了理論分析；劉展翅等[5-6]在雙盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上開展了靜偏心對同心型SFD 減振特性影響的實驗研究；祝長生和毛川[7]進一步研究了油膜內(nèi)外環(huán)靜態(tài)存在部分接觸時同心型SFD 的減振特性。文獻[8]假設軸徑中心的進動軌道是任意偏置橢圓，計算了剛性轉(zhuǎn)子-非同心SFD 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)不平衡響應；文獻[9-10]計算分析了柔性轉(zhuǎn)子-非同心SFD 系統(tǒng)的非協(xié)調(diào)響應和分叉特性；文獻[11-12]利用雙向激勵器研究了供油槽、靜偏心和端封等結(jié)構(gòu)參數(shù)對非同心SFD 動力特性的影響；崔穎等[13]通過數(shù)值仿真計算了非同心SFD 的空化流場特性并分析了進油壓力對空化流場的影響。

過去的研究主要是將同心或非同心SFD 作為獨立的研究對象而展開的，針對同心與非同心SFD減振特性比較的研究極少，只有祝長生對同心與非同心SFD-柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)特性進行過比較分析[14]，并在文獻[15]中開展了同心與非同心SFD在不同不平衡量大小及油膜間隙條件下的減振特性對比實驗。然而，上述研究是基于實驗室中的簡單轉(zhuǎn)子模型進行的，與真實的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相比，該轉(zhuǎn)子不僅在結(jié)構(gòu)進行了大幅簡化，而且對額定工作轉(zhuǎn)速也進行了等比縮小，研究成果具有一定的參考價值，但不能完全滿足航空發(fā)動機高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工程設計需要。擠壓油膜阻尼器作為航空發(fā)動機減振設計的關(guān)鍵，其減振性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到發(fā)動機的壽命與可靠性，某在研小型渦扇發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子的6 號支點設計了同心與非同心SFD 兩種減振方案，必須在型號研制前期針對這兩種SFD 的減振特性開展專門的對比試驗研究。

為直接比較同心與非同心SFD 在發(fā)動機高速工作狀態(tài)下的減振特性，本文設計了與發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子主體結(jié)構(gòu)和動力特性基本一致、額定工作轉(zhuǎn)速完全相同的低壓模擬轉(zhuǎn)子，在高速旋轉(zhuǎn)試驗器上開展同心/非同心SFD?低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性試驗，通過轉(zhuǎn)子振動研究油膜供油壓力及不平衡量大小對同心/非同心SFD 減振特性的影響，為同心/非同心SFD 在低壓轉(zhuǎn)子上的選擇應用提供技術(shù)支持，對航空發(fā)動機高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)減振設計具有重要的工程參考價值。

1 低壓模擬轉(zhuǎn)子

遵循主體結(jié)構(gòu)和動力學一致原則，設計了一個與發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子主體結(jié)構(gòu)基本一致，支承方案、潤滑方式、油膜供油、零件連接結(jié)構(gòu)及配合關(guān)系完全相同的低壓模擬轉(zhuǎn)子試驗件。與低壓轉(zhuǎn)子相比，低壓模擬轉(zhuǎn)子的慣性參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量）和前3 階臨界轉(zhuǎn)速變化量均不大于3%，振型和穩(wěn)態(tài)不平衡響應幾乎一致，擠壓油膜阻尼器在低壓模擬轉(zhuǎn)子上的工作狀態(tài)與發(fā)動機轉(zhuǎn)子十分相近，確保了在低壓模擬轉(zhuǎn)子上取得的研究成果能夠在發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子上直接應用。

低壓模擬轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，主要由進氣錐、風扇模擬盤、增壓級模擬盤、低壓軸、低壓渦輪短軸、兩級低壓渦輪模擬盤和套齒軸等零組件構(gòu)成，其中風扇模擬盤與低壓渦輪模擬盤上設計有均布的平衡螺釘孔，用于施加配重。轉(zhuǎn)子具有空心、薄壁、大長徑比、雙懸臂的結(jié)構(gòu)特點，是一個跨3 階臨界轉(zhuǎn)速工作的高速柔性轉(zhuǎn)子，采用0-3-0 的支承方式，其中，1 號支點為雙半內(nèi)圈角接觸球軸承，5 號和6 號支點為圓柱滾子軸承，3 個軸承均采用軸向環(huán)下潤滑方式。轉(zhuǎn)子的1 號支點采用同心型SFD，5 號支點為剛性支承，6 號支點設計有同心型與非同心型SFD 兩種減振方案。

圖1 低壓模擬轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡圖

2 同心/非同心擠壓油膜阻尼器

2.1 同心型擠壓油膜阻尼器

圖2 為低壓模擬轉(zhuǎn)子6 號支點采用同心型SFD時的結(jié)構(gòu)簡圖，鼠籠式彈性支承如圖3 所示。

圖2 同心型SFD 結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 鼠籠彈支的三維圖

5 號與6 號軸承位于鼠籠彈支的左右兩側(cè)，安裝狀態(tài)下，軸承外環(huán)的防轉(zhuǎn)凸臺與鼠籠彈支的周向限位槽咬合，轉(zhuǎn)子工作時軸承外環(huán)不隨之旋轉(zhuǎn)。鼠籠彈支以止口定心、螺釘緊固的方式懸臂安裝在軸承座上，彈支與軸承座之間采用過盈配合，5 號支點為剛性支承狀態(tài)，6 號支點為彈性支承狀態(tài)。鼠籠彈支外環(huán)與軸承座之間留有間隙，其間通以滑油，彈支外環(huán)受轉(zhuǎn)子振動影響產(chǎn)生徑向位移，滑油在擠壓作用下產(chǎn)生油膜力，為轉(zhuǎn)子提供阻尼和油膜剛度。為保證油膜剛度和油膜阻尼的穩(wěn)定性，對鼠籠彈支和軸承座的加工和裝配精度進行了嚴格控制。

如圖2 所示，同心型SFD 采用周向供油方式，環(huán)形油槽位于油膜外環(huán)中央，滑油沿軸向輸入，經(jīng)供油孔進入環(huán)形油槽，繼而流向兩側(cè)的油膜區(qū)域，阻尼器使用漲圈封嚴，減少端部油泄。

2.2 非同心型擠壓油膜阻尼器

在不改變5 號支點支承狀態(tài)以及6 號支點油膜參數(shù)的前提下，根據(jù)非同心型SFD 的工作原理，取消鼠籠彈支，設計了5 號支承與6 號襯套，在轉(zhuǎn)子6 號支點處形成了圖4 所示的非同心型SFD，其供油方式和油膜參數(shù)與同心型SFD 完全相同。圖5為5 號支承與6 號襯套的三維結(jié)構(gòu)。

圖4 非同心SFD 結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 非同心SFD 的三維圖

5 號支承和6 號襯套的主體結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括配合尺寸）與鼠籠彈支保持一致，區(qū)別在于取消了鼠籠彈條，并沿橫向分解為兩個獨立零件。5 號支承以相同的安裝方式與軸承座剛性連接。6 號襯套作為非同心SFD 的油膜內(nèi)環(huán)，采用小過盈配合與6 號軸承外環(huán)相連，并通過軸承限位槽約束周向相對位移，使兩者的運動軌跡始終完全相同。

非同心SFD 的內(nèi)環(huán)在工作狀態(tài)下不隨軸徑轉(zhuǎn)動，僅通過徑向平動擠壓內(nèi)、外環(huán)形間隙內(nèi)的油膜，為轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作產(chǎn)生所需的油膜剛度和油膜阻尼。為此，在5 號支承和6 號襯套端面設計了周向限位槽和防轉(zhuǎn)凸臺結(jié)構(gòu)，并使用擋圈（見圖4）對6 號軸承進行軸向限位，使其在安裝狀態(tài)下僅具有徑向平動的自由度。防轉(zhuǎn)凸臺厚度大于油膜間隙，避免了周向限位結(jié)構(gòu)失效的可能性。

3 試驗簡介

3.1 試驗設備

同心/非同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性試驗在臥式高速旋轉(zhuǎn)試驗器上進行，試驗倉內(nèi)為真空環(huán)境，電機輸出功率通過兩端帶花鍵的浮動軸傳入低壓渦輪末端的套齒軸，進而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子的安裝及測試示意圖見圖6，在試驗器上的安裝照片見圖7。試驗過程中使用LMS 動態(tài)信號分析儀采集和分析轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、撓度（軸位移峰-峰值）、彈支應變以及支座上的振動加速度信號，圖中“⊥”表示垂直方向，“=”表示水平方向。為確保試驗安全還使用熱電偶監(jiān)測了3 個軸承外環(huán)的溫度。

圖6 轉(zhuǎn)子安裝及測試示意圖

圖7 轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)試驗器上的安裝照片

3.2 試驗過程

低壓模擬轉(zhuǎn)子在裝配過程中先后對4 個模擬輪盤、低壓軸、低壓渦輪組件和轉(zhuǎn)子本體進行了低速動平衡，各殘余不平衡量均滿足設計要求。

首先開展了非同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性試驗，改變6 號油膜的供油壓力，分別在0.3 MPa、0.45 MPa 和0.6 MPa 時測量轉(zhuǎn)子在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動響應。隨后將油膜供油壓力調(diào)整為0.45 MPa，在低壓渦輪二級模擬盤的0°位置施加平衡螺釘，依次測量轉(zhuǎn)子在0、12.58 g·mm、20.57 g·mm、64.09 g·mm 及108.46 g·mm 這5 種不平衡量狀態(tài)下的振動響應曲線。完成非同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性試驗后，在5 號、6 號支點換裝鼠籠彈支，并以相同過程開展同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性試驗。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 同心/非同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性對比

在油膜供油壓力為0.45 MPa 且轉(zhuǎn)子無附加不平衡量的狀態(tài)下，對比同心/非同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性。低壓軸上4 個測點的振動位移可全面反映轉(zhuǎn)子前3 階臨界轉(zhuǎn)速下的振動峰值，因此，圖8 給出了D1～D4位移傳感器測得振動幅值-轉(zhuǎn)速曲線。表1 列出了轉(zhuǎn)子前3 階臨界轉(zhuǎn)速試驗值。

圖8 同心/非同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性對比

分析圖8 與表1 可知：

1）與同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相比，非同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前3 階臨界轉(zhuǎn)速均發(fā)生前移，分別降低了400 r/min、449 r/min 和249 r/min。當6 號支點采用同心SFD 時，該支點的支承剛度是彈支剛度與油膜剛度之和（鼠籠彈支與擠壓油膜為并聯(lián)關(guān)系），當采用非同心SFD 時，6 號支點的支承剛度僅體現(xiàn)為油膜自身剛度，支點剛度減小，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速也相應降低。

合理配置轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速是保證發(fā)動機安全工作的重要前提，在轉(zhuǎn)子動力學設計過程中，若繼續(xù)降低鼠籠彈支剛度（受強度限制）已不能滿足轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速相對于特征工作轉(zhuǎn)速的裕度要求（>20%），采取非同心SFD 作為調(diào)整轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的又一措施顯然具有十分重要的工程意義。

2）初始不平衡量狀態(tài)下，非同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各階臨界轉(zhuǎn)速及額定工作轉(zhuǎn)速下的振動響應均小于同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。對于同心SFD，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中必須在不平衡量的作用下首先克服鼠籠彈支的徑向約束，使其發(fā)生彈性變形，進而擠壓油膜產(chǎn)生阻尼，為轉(zhuǎn)子提供減振作用。對于非同心SFD，6 號襯套外環(huán)無徑向約束，在轉(zhuǎn)子不平衡量作用下將直接產(chǎn)生徑向位移，擠壓油膜形成減振阻尼。低壓模擬轉(zhuǎn)子的5 號、6 號支點十分靠近，軸向間距僅有69.4 mm，5 號支點為剛性支承，實際已為轉(zhuǎn)子提供了很好的定心作用，當轉(zhuǎn)子自身殘余不平衡量較小時，鼠籠彈支的變形不足，反而限制了同心SFD 減振效果的充分發(fā)揮。相比較而言，非同心SFD 油膜內(nèi)環(huán)在油膜腔內(nèi)的徑向運動更自由，可以充分發(fā)揮擠壓油膜的減振作用，轉(zhuǎn)子的振動響應也因此相對較小。

4.2 供油壓力對同心/非同心SFD 減振特性影響

油膜供油壓力為0.3 MPa、0.45 MPa 和0.6 MPa時，非同心SFD 與同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應曲線如圖9 與圖10 所示。

圖9 3 種供油壓力下非同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應

圖10 3 種供油壓力下同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應

由圖9 和圖10 可知：油膜供油壓力對同心SFD 與非同心SFD 減振特性的影響并不相同。供油壓力對同心SFD 的減振特性影響甚微，3 種油壓下轉(zhuǎn)子的不平衡響應沒有明顯區(qū)別。非同心SFD的減振特性對油膜供油壓力較為敏感，供油壓力變化后，轉(zhuǎn)子第2 階臨界轉(zhuǎn)速下的撓度相應發(fā)生了改變。

試驗現(xiàn)象與低壓模擬轉(zhuǎn)子的動力特性相吻合，轉(zhuǎn)子第2 階振型是由低壓渦輪模擬盤擺動引起的低壓軸彎曲，6 號支點最靠近低壓渦輪模擬盤，所以轉(zhuǎn)子第2 階臨界轉(zhuǎn)速下的振動幅值可以直接體現(xiàn)不同供油壓力下非同心SFD 減振特性的優(yōu)劣。油膜供油壓力為0.45 MPa 時，非同心SFD 的減振特性相對較好，油壓為0.3 MPa 時，非同心SFD 的減振特性相對較差，D1與D3位移傳感器測得轉(zhuǎn)子第2 階臨界轉(zhuǎn)速下的振幅變化量最大相差233 μm 和242 μm。由此可見：油膜供油壓力對非同心SFD 的減振特性有顯著影響，當航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子采用非同心SFD時，應對擠壓油膜的供油壓力進行合理選擇。

4.3 同心/非同心SFD 的減振能力比較

油膜供油壓力為0.45 MPa，在低壓渦輪二級模擬盤的0°位置施加不同質(zhì)量的平衡螺釘，依次在0、12.58 g·mm、20.57 g·mm、64.09 g·mm 及108.46 g·mm的附加不平衡量下測量同心/非同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應曲線。各測點的不平衡響應特性相似，這里只給出D1傳感器測得的振動幅值-轉(zhuǎn)速曲線。

表2 與表3 分別給出了非同心/同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)第3 階臨界轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度以及不平衡量增大時的撓度增長變化量。圖11 和圖12 分別為不同不平衡量下非同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應以及同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應。

表2 第3 階臨界轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度

表3 第3 階臨界轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度增長變化量

圖11 不同不平衡量下非同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應

圖12 不同不平衡量下同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應

由圖11 和圖12、表2 和表3 可知：

1）低壓模擬轉(zhuǎn)子第3 階臨界轉(zhuǎn)速下的撓度對低壓渦輪二級模擬盤上的不平衡量更敏感，當不平衡量增加后，第3 階臨界轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度也相應增長。當轉(zhuǎn)子附加不平衡量由0 增加至108.46 g·mm，同心/非同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大撓度始終小于500 μm，在額定工作轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度始終小于150 μm，結(jié)果說明：同心SFD 與非同心SFD 都能為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供有效的減振阻尼，對轉(zhuǎn)子振動控制發(fā)揮著積極作用。

2）在0～ 108.46 g·mm 的不平衡量范圍內(nèi)，非同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大撓度以及額定工作轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度均小于同心SFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。由此表明：在該不平衡量范圍內(nèi)，非同心SFD 的減振效果優(yōu)于同心SFD。

3）同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)第3 階臨界轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度增長變化量低于非同心SFD-低壓模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，并且隨不平衡量的逐步增大，這種趨勢也體現(xiàn)的更加明顯，當轉(zhuǎn)子附加不平衡量增加至108.46 g·mm 時，第3 階臨界轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子撓度已然十分接近。由此說明：非同心SFD 抵抗不平衡量的限度比同心型SFD 更低，當轉(zhuǎn)子殘余不平衡量超過一定限度后，同心型SFD 將會表現(xiàn)出比非同心SFD 更好的減振穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1）與同心SFD 相比，非同心SFD 的支承剛度較小，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速會相應降低。在應用非同心SFD 時，應避免轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速偏離設計范圍的情況發(fā)生。

2）油膜供油壓力對非同心SFD 減振特性的影響比同心SFD 更顯著，油膜供油壓力選取不合理將削弱非同心SFD 的減振能力。因此，當航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子采用非同心SFD 的減振方案時，應進一步確定合適的油膜供油壓力范圍，以充分發(fā)揮非同心SFD的減振作用。

3）同心與非同心SFD 都能夠有效地減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動。當轉(zhuǎn)子不平衡量較小時，非同心SFD的減振效果更好，而同心SFD 可承受比非同心SFD更大的不平衡量，當轉(zhuǎn)子不平衡量超過一定限度后，同心SFD 表現(xiàn)出更好的減振穩(wěn)定性。當航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子采用非同心SFD 的減振方案時，更應嚴格控制轉(zhuǎn)子的低速動平衡精度。