论文部分内容阅读
摘要：涡轴航空发动机整机振动使发动机结构受到巨大的振动应力，对航空发动机的工作状态、航空发动机附件及相关仪表的工作状态造成诸多影响，会降低航空发动机的可靠性。本文针对某型涡轮轴航空发动机的结构特点，进行整机振动特性分析，对转子与机匣进行固有特性分析。对转子支承、转子叶片及静子叶片进行计算模型简化处理;分析转子临界转速、固有模态，并计算工作转速相对于临界转速的裕度;分析机匣固有模态。分析应急、起飞和额定工况下的发动机整机振动特性。对转子系统动力特性进行谐响应和谱分析，模拟转子不平衡故障，对整机振动进行谱分析，解释振动原因。
关键词：涡轮轴发动机;整机振动;有限元;振动频谱图
中图分类号：V231
航空发动机可靠性指标不仅受振动应力影响，也与航空发动机本身、相关附件及各航空仪表的工作状态有关，航空发动机整机振动对上述指标有不利影响。当前，速度性能较为突出的军用机型与普通民用机型都频繁发生振动故障，大批航空发动机提前返厂，既损害航空发动机在实际应用中的经济性能，又缩短预期寿命。本文对某型涡轮轴航空发动机进行整机振动特性分析，因实际系统较为复杂，直接分析困难，本文将建立简化后的发动机“机匣—转子”系统有限元模型;其次，计算转子的临界转速;最后，从整机出发，计算整个“机匣—转子”系统的振动特性，分析转子不平衡故障对系统振动特性的影响。
一、整机CAD建模概述
涡轮轴发动机由单转子混合式压气机、折流式环形燃烧室、2级轴流反应式涡轮、1级轴流式自由涡轮、减速器和简易的非收缩式排气装置等部件组成，其工作系统分为液压机械式燃油控制系统、滑油系统、起动系统等。基于转子典型结构建模与静子典型结构建立简化后的三维模型如下。
二、计算模型处理
1.转子支承处理
航空燃气涡轮发动机转子系统由涡轮转子、压气机转子及联接转子的组件构成。一方面，支承结构将转子支承在发动机机匣特定位置;另一方面，支承结构也承受转子上的负荷（气体轴向力、重力、惯性力以及惯性力矩等）并传动到机匣。最后，发动机的安装节将负荷传导至飞机结构上。
整机模型采用5个支承结构，均为滚动轴承。查阅相关文献，计算转子临界转速时可将弹性支承与机匣的组合系统简化为两个串联的弹簧，由弹性支承与机匣支承共同影响的组合刚度为：
是通过对机匣进行刚性分析得出的。本文在计算转子临界转速时，从适当的数量级中选取4组轴承组合刚度值。
2.转子叶片处理
转子叶片是涡轮和压气机实现功能转换的主要零件，在航空发动机正常工作时承受较大的负荷。由于已知叶片参数较少，基于UG软件构建叶片三维模型的可行性不高，故通过轻微抬升轮毂高度等效模拟转子叶片。
3.静子叶片处理
压气机静子叶片与自由涡轮静子叶片采用刚性质量块代替，为确保静子叶片质量取值的合理性与科学性，特前往南京航空航天馆实测。从左到右，质量依次为：255g，235g，215g，195g，175g，155g，135g，115g，95g，75g，55g，320g，625g.
4.转子临界转速计算分析
对转子系统进行动力特性分析应构建简化后的三维立体模型，并用有限元方法计算转子临界转速。查阅相关文献可知：用 ANSYS软件计算“转子—支承”系统临界转速时，基于一维模型求解临界转速与基于立体模型求解的结果约有5%的相对误差，后者精度更高。故本文基于立体有限元模型求解转子临界转速。用ANSYS软件分析转子系统的模态并得出其固有频率，计算系统受同步力时的临界转速。在陀螺效应下，反进动固有频率会随着转子自转角速度的增加而降低，正进动固有频率反之。本文只分析正进动固有频率。
基于三维模型进行初步分析工作。具体的：首先计算转子系统临界转速，通过对比四组不同轴承刚度值下的计算结果，发现转子系统一阶临界转速随轴承刚度值的增加而提高。在完成转子临界转速计算后，对转子与机匣应用模态分析，得出转子与机匣的前十阶固有频率并分析前六阶振型，为谐响应分析和谱分析奠定基础。
三、不同工况下的整机振动分析
1.计算工况
本文主要研究的工况包括表中所列出的速度值，共分为应急、起飞、额定三种工况。
2.转子不平衡故障下的整机振动分析
（1）转子不平衡故障的模拟方法
在转子轴上非轴承安装处施加一个0.08g的刚性质量块，制造转子系统不平衡故障。现将自由涡轮系统、压气机—燃气涡轮系统和机匣的分析结果整理如下：
（2）不平衡故障下的整机振动分析结果
0.08g不平衡量下的转子谐响应分析结果：
0.08g不平衡量下的轴承处振动分析结果：
如图3-2所示，1号轴承频率响应曲线图中，峰值点的出现并非由转子系统的固有频率引起，而是其工作转速导致;2号轴承频率响应曲线图中，峰值点既不是由工作转速引起，也不是转子系统的固有频率导致。应该是由其他因素导致;3号轴承频率响应曲线图中，峰值点主要是由转子系统的固有频率导致;4号轴承频率响应曲线图中，峰值点既不是由工作转速引起，也不是转子系统的固有频率导致。应该是由其他因素导致;5号轴承频率响应曲线图中，峰值点既不是由工作转速引起，也不是转子系统的固有频率导致。应该是由其他因素导致。
0.08g不平衡量下机匣谐响应分析结果：
0.08g不平衡量下机匣对应位置处的频率响应曲线：
综上，机匣谐响应分析的谱图与所施加周期激励频率并无直接联系。主要是同时考虑五个轴承处的激励及不平衡故障时，单一激励的效果被整体耦合效应弱化。
四、工作总结
本工作主要可分成前期建模和后期计算分析两大部分：由于原始图纸信息不完整，在建模工作的开端遇到了较多的困难，最终，在对原模型进行了较大简化的基础下完成了整机的平面CAD图。由于图形较为复杂，在CAD中生成面域时，前后经过了多次修改、尝试。后期工作中，面对如何将机匣部分的振动特性与转子系统的振动特性合并分析得出整机振动特性的难题时，曾一度缺乏明确的研究思路。经过查阅文献，最终拟定了相对完善、科学的研究方案。
五、展望
一方面，由于大量结构参数未知，对所建模型的准确程度造成了一定的影响;另一方面，由于时间有限所建立的模型做了大量的简化，包括燃烧室在内的一部分重要组件没有被考虑进去。如果有详实的参数，相信可以优化三维有限元模型。此外，在后续计算转子系统的临界转速的过程中，轴承刚度的取值实在查阅大量相关文献后自主选取的4组合理数值，而非实际测算量。希望今后有机会展开动、静刚度的计算与分析工作，使整机分析的结果更具有适用性。
参考文献
[1]傅志方.模态分析技术在航空发动机振动故障分析中的应用[C]. .第四届全国振动理论及应用学术会议论文集，河南郑州，1990：541～548.
[2]R. Gasch： Vibration of Large Turbo-Rotors in Fluid-Film Bearing on An Elastic Foundation[J]. J.of Sound and Vib.1976，47（1）：53～73.
[3]任兴明.航空发动机整机动力特性分析方法研究[D]. 西安：西北工业大学，1999.
[4]孟光.转子动力学研究的回顾与展望[J].振动工程学报，2002，15（1）：1 ～9.
[5]李津，槐创锋.ANSYS 15.0有限元分析自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2015，10.
[6]常利辉.超导发电机转子的固有振动分析[D].秦皇岛：燕山大学，2015.[19]梁炳南.燃气轮机机匣建模及模态分析[D].大连：大连海事大学，2009.
作者简介：刘程文青，1994年1月3日，助理工程师
（中国航空工业集团公司上海航空測控技术研究所 上海 201601）
关键词：涡轮轴发动机;整机振动;有限元;振动频谱图
中图分类号：V231
航空发动机可靠性指标不仅受振动应力影响，也与航空发动机本身、相关附件及各航空仪表的工作状态有关，航空发动机整机振动对上述指标有不利影响。当前，速度性能较为突出的军用机型与普通民用机型都频繁发生振动故障，大批航空发动机提前返厂，既损害航空发动机在实际应用中的经济性能，又缩短预期寿命。本文对某型涡轮轴航空发动机进行整机振动特性分析，因实际系统较为复杂，直接分析困难，本文将建立简化后的发动机“机匣—转子”系统有限元模型;其次，计算转子的临界转速;最后，从整机出发，计算整个“机匣—转子”系统的振动特性，分析转子不平衡故障对系统振动特性的影响。
一、整机CAD建模概述
涡轮轴发动机由单转子混合式压气机、折流式环形燃烧室、2级轴流反应式涡轮、1级轴流式自由涡轮、减速器和简易的非收缩式排气装置等部件组成，其工作系统分为液压机械式燃油控制系统、滑油系统、起动系统等。基于转子典型结构建模与静子典型结构建立简化后的三维模型如下。
二、计算模型处理
1.转子支承处理
航空燃气涡轮发动机转子系统由涡轮转子、压气机转子及联接转子的组件构成。一方面，支承结构将转子支承在发动机机匣特定位置;另一方面，支承结构也承受转子上的负荷（气体轴向力、重力、惯性力以及惯性力矩等）并传动到机匣。最后，发动机的安装节将负荷传导至飞机结构上。
整机模型采用5个支承结构，均为滚动轴承。查阅相关文献，计算转子临界转速时可将弹性支承与机匣的组合系统简化为两个串联的弹簧，由弹性支承与机匣支承共同影响的组合刚度为：
是通过对机匣进行刚性分析得出的。本文在计算转子临界转速时，从适当的数量级中选取4组轴承组合刚度值。
2.转子叶片处理
转子叶片是涡轮和压气机实现功能转换的主要零件，在航空发动机正常工作时承受较大的负荷。由于已知叶片参数较少，基于UG软件构建叶片三维模型的可行性不高，故通过轻微抬升轮毂高度等效模拟转子叶片。
3.静子叶片处理
压气机静子叶片与自由涡轮静子叶片采用刚性质量块代替，为确保静子叶片质量取值的合理性与科学性，特前往南京航空航天馆实测。从左到右，质量依次为：255g，235g，215g，195g，175g，155g，135g，115g，95g，75g，55g，320g，625g.
4.转子临界转速计算分析
对转子系统进行动力特性分析应构建简化后的三维立体模型，并用有限元方法计算转子临界转速。查阅相关文献可知：用 ANSYS软件计算“转子—支承”系统临界转速时，基于一维模型求解临界转速与基于立体模型求解的结果约有5%的相对误差，后者精度更高。故本文基于立体有限元模型求解转子临界转速。用ANSYS软件分析转子系统的模态并得出其固有频率，计算系统受同步力时的临界转速。在陀螺效应下，反进动固有频率会随着转子自转角速度的增加而降低，正进动固有频率反之。本文只分析正进动固有频率。
基于三维模型进行初步分析工作。具体的：首先计算转子系统临界转速，通过对比四组不同轴承刚度值下的计算结果，发现转子系统一阶临界转速随轴承刚度值的增加而提高。在完成转子临界转速计算后，对转子与机匣应用模态分析，得出转子与机匣的前十阶固有频率并分析前六阶振型，为谐响应分析和谱分析奠定基础。
三、不同工况下的整机振动分析
1.计算工况
本文主要研究的工况包括表中所列出的速度值，共分为应急、起飞、额定三种工况。
2.转子不平衡故障下的整机振动分析
（1）转子不平衡故障的模拟方法
在转子轴上非轴承安装处施加一个0.08g的刚性质量块，制造转子系统不平衡故障。现将自由涡轮系统、压气机—燃气涡轮系统和机匣的分析结果整理如下：
（2）不平衡故障下的整机振动分析结果
0.08g不平衡量下的转子谐响应分析结果：
0.08g不平衡量下的轴承处振动分析结果：
如图3-2所示，1号轴承频率响应曲线图中，峰值点的出现并非由转子系统的固有频率引起，而是其工作转速导致;2号轴承频率响应曲线图中，峰值点既不是由工作转速引起，也不是转子系统的固有频率导致。应该是由其他因素导致;3号轴承频率响应曲线图中，峰值点主要是由转子系统的固有频率导致;4号轴承频率响应曲线图中，峰值点既不是由工作转速引起，也不是转子系统的固有频率导致。应该是由其他因素导致;5号轴承频率响应曲线图中，峰值点既不是由工作转速引起，也不是转子系统的固有频率导致。应该是由其他因素导致。
0.08g不平衡量下机匣谐响应分析结果：
0.08g不平衡量下机匣对应位置处的频率响应曲线：
综上，机匣谐响应分析的谱图与所施加周期激励频率并无直接联系。主要是同时考虑五个轴承处的激励及不平衡故障时，单一激励的效果被整体耦合效应弱化。
四、工作总结
本工作主要可分成前期建模和后期计算分析两大部分：由于原始图纸信息不完整，在建模工作的开端遇到了较多的困难，最终，在对原模型进行了较大简化的基础下完成了整机的平面CAD图。由于图形较为复杂，在CAD中生成面域时，前后经过了多次修改、尝试。后期工作中，面对如何将机匣部分的振动特性与转子系统的振动特性合并分析得出整机振动特性的难题时，曾一度缺乏明确的研究思路。经过查阅文献，最终拟定了相对完善、科学的研究方案。
五、展望
一方面，由于大量结构参数未知，对所建模型的准确程度造成了一定的影响;另一方面，由于时间有限所建立的模型做了大量的简化，包括燃烧室在内的一部分重要组件没有被考虑进去。如果有详实的参数，相信可以优化三维有限元模型。此外，在后续计算转子系统的临界转速的过程中，轴承刚度的取值实在查阅大量相关文献后自主选取的4组合理数值，而非实际测算量。希望今后有机会展开动、静刚度的计算与分析工作，使整机分析的结果更具有适用性。
参考文献
[1]傅志方.模态分析技术在航空发动机振动故障分析中的应用[C]. .第四届全国振动理论及应用学术会议论文集，河南郑州，1990：541～548.
[2]R. Gasch： Vibration of Large Turbo-Rotors in Fluid-Film Bearing on An Elastic Foundation[J]. J.of Sound and Vib.1976，47（1）：53～73.
[3]任兴明.航空发动机整机动力特性分析方法研究[D]. 西安：西北工业大学，1999.
[4]孟光.转子动力学研究的回顾与展望[J].振动工程学报，2002，15（1）：1 ～9.
[5]李津，槐创锋.ANSYS 15.0有限元分析自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2015，10.
[6]常利辉.超导发电机转子的固有振动分析[D].秦皇岛：燕山大学，2015.[19]梁炳南.燃气轮机机匣建模及模态分析[D].大连：大连海事大学，2009.
作者简介：刘程文青，1994年1月3日，助理工程师
（中国航空工业集团公司上海航空測控技术研究所 上海 201601）