航空發（fā）動（dòng）機雙轉子係統的模態分析-刀具網-數控機床（chuáng）市場網

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航空發動機雙轉子係統的（de）模態分析

2014-1-9 來源：數控機床市場網作者：申（shēn）苗唐駕時李克安梁翠香陳勇隋雪

摘要：為了（le）更好地了解和掌握發動機固有的振動特性，利用有限元分（fèn）析 ANSYS 軟件，對某型發動機雙轉子係（xì）統進行了固有頻率及振型計算。通過（guò）改變軸承的剛度與原計算結果（guǒ）作對比，分析軸承（chéng）剛度的（de）改變對整個係統動力特（tè）性的影響。結合振動力學相關（guān）理論，對設計方案進（jìn）行動力學（xué）評價。結果表明，該方法運算速度快，輸入參數少，特征值、特征向（xiàng）量求解精度高。

關鍵詞：雙轉子；有限元方法；模態分析

1 引言

航空發動機（jī）的結構複雜，在工作中會（huì）受到機械激振、氣動激振等作用，使振動（dòng）問（wèn）題突（tū）出。機械振動產生破壞主（zhǔ）要因共振引起，當激振頻率與係統的（de）某階固有頻率接（jiē）近時，振幅會急劇增大，從而（ér）產生嚴重後果。因此，各階固有頻率和振型是（shì）結構承受動力荷載設計中的重要參數，所以必須對發動機的動力學特性進行研究（jiū）。目前，對航空發動機轉子（zǐ）係統的研究（jiū）集中在相對簡單的單（dān）轉子（zǐ）係統上，對複雜的雙轉子係統研究得很少。大型有限元分析軟件ANSYS[5-8]是結構動力學分析常（cháng）用的軟件。故利（lì）用ANSYS計算了某（mǒu）型發動機（jī）雙（shuāng）轉（zhuǎn）子係統的固有頻率和振型，研究軸承（chéng）剛度的改變（biàn）對係統動力特性的影響，並結（jié）合其工況對設計方案進行動力學評價。

1 雙轉子係統有限元分析（xī）模型的建立

雙轉子係統具有（yǒu）傳統的盤鼓結構，在各級盤上附有發動（dòng）機的葉片。係統（tǒng）由（yóu）低（dī）壓轉子和高壓轉子組成。低壓轉子主要包括低壓壓氣機、低壓渦淪。高壓（yā）轉子主要包括高壓壓氣機（jī）、高壓渦淪。高低壓轉子間通過 2 個滾動軸間（jiān）軸承連接。整個係統又通過多個軸承與外部的靜子（zǐ）機匣相連。航空發動機的轉子係統非常複（fù）雜，影響轉子（zǐ）動力特性的因素也很多，在建模過程中關鍵是要考慮各種主要因素的影響。針對轉子（zǐ）的結構特點，確定建模方案如下（xià）：

1) 質量是（shì）影響（xiǎng）固（gù）有頻率的主要因素之一，因此（cǐ），建模時應盡可能地接近實物模型的實際尺寸，但（dàn）一些細小的結構如倒角、螺孔（kǒng）可以忽略。主要部件的材（cái）料參數也盡量保持與（yǔ）實際情況相符。

2) 軸承（chéng）隻考慮徑向剛度，剛度值取測試得到的靜剛度值。軸承在 ANSYS 中用彈簧模擬。

3) 考慮到葉片的顫振對模態分析結果的影響（xiǎng），將各級葉片按質量等效到各（gè）級盤上。為使模型盡可能精確，采用 ANSYS 對其進行三（sān）維實體建模，模型主要采（cǎi）用 SOLID45 單（dān）元建（jiàn）立。再對各（gè）個（gè）部件定義材料屬性劃（huá）分網格，將軸承簡化為彈簧作（zuò）為邊（biān）界條件施加（jiā）於模型上，2 個軸間軸承簡（jiǎn）化得到的彈簧連接高（gāo）低壓軸，與（yǔ）機匣相連的軸承（chéng）簡化得到的彈簧一端與雙轉子係統相連，另（lìng）一端固（gù）支，軸承剛度均使用靜剛度。得到有限元分析模型如圖 1。

2 模態計（jì）算與分析（xī）

采用子空間法（Subspace）計算雙轉子係統的模態，該方法運算速度快（kuài），輸入參數少，特征（zhēng）值、特（tè）征向量求解精度高。由振動理論可知（zhī），對於一個多自由度振動係統，係統低階固有頻率就能反（fǎn）映係統的動態特（tè）性。在雙（shuāng）轉子係（xì）統的（de）振動中，低階模態起主導作用，高階模態的影響較小。計算得雙轉子係統的前六階（jiē）固有頻率如表 1，相應（yīng）的振型如圖 2。

圖 2 振型圖

分析計算固有頻率和（hé）相應的振型，結論如下：

1) 模態計算的結果與（yǔ）試驗結果相（xiàng）符合。

2) 當外（wài）部（bù）激勵的頻率接（jiē）近表 1 中數值時，會產生較大（dà）振幅，使結構受到損害，因此，必須通過修改設計，改變共振出現的頻率範圍，以提高發動機（jī）運行過程的平（píng）穩性。

3) 第 1、4 階固（gù）有振型主要是扭轉振動，其中，第 1 階主要是低壓轉子的扭振；第 4 階主要是高壓（yā）轉子的扭振。第 2、5、6 階固有振型主要是垂直麵內（nèi）的彎振（zhèn），其中，第 2 階主要是低渦盤和高壓壓氣機在垂直麵內的彎振，高壓壓氣（qì）機的振幅（fú）相（xiàng）對較小；第 5 階主要是高壓壓氣機和 2 個渦輪盤在垂直麵內的彎振，低壓壓氣機也有相（xiàng）對很小的振動；第 6 階是整個（gè）雙轉子係統在垂直麵內的彎振。第 3 階固有振型主要是高壓壓氣機和 2 個渦輪（lún）盤在水平麵內的彎（wān）振，低壓壓氣機也有相（xiàng）對很小的振動。

4) 前四階固（gù）有頻率雖（suī）然出現的可能性大，但頻（pín）率值低，遠遠沒達到雙轉子係統的共振頻率，後兩階固有（yǒu）頻率值相對比（bǐ）較接近係統（tǒng）的共振頻（pín）率，但由於階數高（gāo），出（chū）現的可能性不大。

3 軸承剛度變化對模態分析（xī）的影響

轉子高速運（yùn）轉時，軸承的剛度發生改變，故要考慮軸承的動剛度。目前，還沒有可（kě）靠的方法來得到準確的軸承動剛度值，故計算（suàn）時用增大和縮小靜剛度值來分析軸承剛度（dù）對模態計算的影響。將軸承（chéng）剛度值減小 20% 和增加 20%，計算雙轉子係統的（de）前六階固有頻率，結果如表 2（其中 B 組為對照組）。

1) 若轉子高速運轉時，軸承的（de）剛度值縮小了，從（cóng）表（biǎo） 2 中可以看出，雙轉子係統振動的（de）固有頻（pín）率均變小（xiǎo）了，第 1、4 階扭振不（bú）受影響。第 5、6 階固有頻率改（gǎi）變較（jiào）大，第 2、3 階固有頻率變化（huà）不大。

2) 轉子（zǐ）高速運轉（zhuǎn）時軸承的（de）剛度值增大，從表 2中可以看（kàn）出，第 1 階扭振頻率大小不受影響。第 2、3、4、5、6 階固有頻率變小了，第 2 階扭振的出現由原來的總體階數第4階推遲到總體階（jiē）數的第6階。

3) 該結果能用來（lái）間接地分析軸承動剛度對雙（shuāng）轉子係統振（zhèn）動固（gù）有頻（pín）率（lǜ）的影（yǐng）響，定性地研究軸承剛度的改變使雙（shuāng）轉子係統振動特性發生（shēng）的（de）變化（huà）。

4 結論

1) 建模時，使用簡化方案，且模型主要（yào）采用三維 SOLID45 單元，使（shǐ）得（dé）模型更接近於實物（wù），為對雙轉（zhuǎn）子係統進（jìn）行準確的模態分（fèn）析提供了有力的保（bǎo）證。

2) 在使用軸承（chéng）靜剛度時，得到前四階固有頻率值較（jiào）小，故在發動機啟動速度推進時，就盡（jìn）量地在這些頻率對應的轉速處迅速推（tuī）過，達到避開共振的（de）效果，使雙（shuāng）轉子係統迅速進入穩定工作狀態。而後兩階固有頻率對應（yīng）的臨界轉（zhuǎn）速雖然比較接近發動（dòng）機的轉速，但因是高階（jiē）頻率，故出現（xiàn）的可能性極小。

3) 改變軸承的剛度值（zhí）會引起雙轉子係統固有頻率的（de）變化，故當臨界轉速接近或處於工作區域時，可通過改變軸承的（de）剛度來降低或提高係統的（de）固有頻率，使臨界轉速避開工作區域。可定性地研究軸承剛度的（de）改變對雙轉子（zǐ）係統（tǒng）振動特性（xìng）的影響。轉子高速運轉時，軸承的剛度會改變，在還沒有一種（zhǒng）可靠的方法來得到準確的軸承動剛度值（zhí）之前，可（kě）以考慮用增大和（hé）縮（suō）小靜剛度值來（lái）近似模擬動（dòng）剛度值，並將計算結果作為轉子（zǐ）高（gāo）速運轉時的動力特性的參考。

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