拉杆对高速柔性转子动力特性的影响

聂卫健，邓旺群，何 萍，郭天才，杨 海

（1.中国航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空发动机振动技术航空科技重点实验室，湖南 株洲 412002）

拉杆对高速柔性转子动力特性的影响

聂卫健1,2，邓旺群1,2，何 萍1，郭天才1,2，杨 海1,2

（1.中国航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空发动机振动技术航空科技重点实验室，湖南 株洲 412002）

针对采用两种不同拉杆方案的低压转子，分别建立有限元分析模型，在4种组合支承刚度下，运用SAMCEF/ROTOR分析软件完成低压转子的动力特性（临界转速、振型及稳态不平衡响应）计算，通过对比分析得到拉杆对低压转子动力特性的影响。研究表明：长拉杆方案和短拉杆方案对低压转子的前三阶临界转速和前两阶振型没有实质性的影响，但对第三阶振型和稳态不平衡响应有显著影响。研究结果为某小型涡扇发动机工程设计阶段的低压转子结构设计提供了参考。

振动与波；涡扇发动机；低压转子；动力特性；不同拉杆方案；有限元法

中小型航空发动机转子的长径比越来越大，越来越“柔”，结构也越来越复杂。在发动机的方案设计阶段，常常会对不能确定的转子构件进行多种方案的设计，并对不同方案的转子进行系统的动力特性计算，通过对比分析，选取一种比较理想的转子设计方案。目前在建立复杂转子动力特性的计算模型时普遍采用有限元法。邓旺群运用有限元法建立了航空发动机转子的有限元计算模型，基于动力特性计算结果分析了主要零部件对转子动力特性的影响[1-3]。陈铁锋等采用有限元法对双裂纹转子振动特性进行了仿真分析并开展了实验研究[4]。支承刚度是影响转子系统临界转速的主要因素。梅庆等阐述了双支承卧式转子的支承布置对转子动力特性的影响[5]。焦旭东等研究了带挤压油膜阻尼器双盘转子的动力学响应和支承优化问题，得到了转子在工作转速下支承的最佳刚度[6]。

本文以某小型涡扇发动机方案设计阶段的低压转子为研究对象，分别建立了该低压转子采用两种不同拉杆方案（长拉杆方案和短拉杆方案）时的有限元分析模型，在4组支承刚度条件下，分别计算了采用两种不同拉杆方案时低压转子的动力特性，通过对比分析得到了拉杆长短对低压转子动力特性的影响。

1 采用两种不同拉杆方案的低压转子结构简介

采用两种拉杆方案的低压转子结构分别如图1、图2所示，采用两种方案的低压转子除了拉杆长度不一样之外，其他结构没有明显的不同。整个转子由进气锥、两级风扇叶片盘、两级增压级叶片盘、两级低压涡轮叶片盘、风扇轴、拉杆、低压涡轮轴等零部件组成。低压转子采用4支点的支承方案，轴承编号与发动机中轴承编号一致，低压压气机转子由2个支点支承，均设置在压气机后端，前支点（1号轴承）为滚珠轴承（止推轴承），后支点（2号轴承）为滚棒轴承，风扇叶片盘端悬臂；低压涡轮转子由2个支点支承，前支点（5号轴承）设置在一级涡轮叶片盘前，后支点（6号轴承）设置在二级涡轮叶片盘后，5号轴承和6号轴承均为滚棒轴承。

图1 短拉杆低压转子结构简图

图2 长拉杆低压转子结构简图

2 低压转子零部件材料

采用两种不同拉杆方案的低压转子在结构上除了拉杆的长短不一样外，其他结构基本相同，各零部件的材料也是一样的。主要零部件材料属性见表1。

表1 主要零部件材料属性

3 有限元分析模型

针对低压转子的结构特点，用面单元建立了低压转子的有限元分析模型，模型共计6个集中质量单元、4个轴承单元和3个不平衡量单元。各集中质量单元的特性见表2，采用两种不同拉杆方案的低压转子有限元分析模型分别见图3、图4。在建立有限元分析模型时，对转子结构进行了一些简化，忽略了一些细小的局部结构（如倒角、小孔等）。计算不平衡响应时，假设在1号凸台、2号凸台和3号凸台上都施加1×10-6kg·m的不平衡量。

表2 集中质量特性

图3 短拉杆方案低压转子有限元模型

图4 长拉杆方案低压转子有限元模型

4 支承刚度

针对1号、2号、5号和6号支承，选用了四组支承刚度进行了动力特性计算，各组的支承刚度值见表3。

表3 支承刚度组合表/107N/m

5 计算结果及分析

5.1 对临界转速的影响

在四组支承刚度情况下，对采用短拉杆方案和长拉杆方案低压转子的前3阶临界转速分别进行了计算，计算结果见表4。表中，转速1为采用短拉杆方案的低压转子的临界转速，转速2为采用长拉杆方案的低压转子的临界转速。临界转速的变化率计算公式如下：

表4 采用短拉杆方案和长拉杆方案低压转子的前3阶临界转速

从表4可以看出：在四组支承刚度情况下，采用短拉杆方案和长拉杆方案低压转子的各阶临界转速的变化率均在0.24%～2.02%之间，表明拉杆的长短对低压转子的前3阶临界转速没有实质性的影响。

5.2 对振型的影响

在四组支承刚度下，对采用短拉杆方案和长拉杆方案低压转子的前3阶振型进行了计算，计算结果见表5。

从表5可以看出：在四组支承刚度情况下，采用短拉杆方案和长拉杆方案低压转子的前2阶振型无明显差异，而采用短拉杆方案低压转子第三振型的弯曲程度比采用长拉杆方案低压转子第3阶振型的弯曲程度要大，表明拉杆的长短对低压转子的前两阶振型没有实质性的影响，而对第3阶振型有一定影响。

表5 采用短拉杆方案和长拉杆方案低压转子的前3阶振型

5.3 对不平衡响应的影响

在四组支承刚度情况下，当1号、2号和3号凸台上同时施加1×10-6kg·m的不平衡量时，计算得到了风扇一级叶片盘、风扇二级叶片盘、增压一级叶片盘、增压二级叶片盘、1号凸台、2号凸台、3号凸台、涡轮一级盘和涡轮二级盘的前3阶稳态不平衡响应，分别见表6、表7和表8。

表6 1阶稳态不平衡响应值/10-6m

从表6至表8可以看出：总体来看，采用短拉杆方案的低压转子各阶稳态不平衡响应值要比采用长拉杆方案低压转子的各阶稳态不平衡响应值大，即采用短拉杆方案的低压转子对不平衡量更为敏感。

6 结语

在四组支承刚度情况下，对采用短拉杆方案和长拉杆方案低压转子的前3阶临界转速、前3阶振型和9个特征位置的前3阶稳态不平衡响应分别进行了计算，并对两种拉杆方案的计算结果进行了对比分析，主要研究结论如下：

表7 2阶稳态不平衡响应值/10-6m

表8 3阶稳态不平衡响应值/10-6m

（1）拉杆的长短对低压转子的临界转速没有实质性的影响；

（2）拉杆的长短对低压转子的前两阶振型没有实质性的影响，但采用短拉杆方案低压转子第3阶振型的弯曲程度比采用长拉杆方案低压转子第3阶振型的弯曲程度要大，从增加低压转子的抗弯能力出发，宜优先采用长拉杆方案；

（3）总体来说，采用短拉杆方案的低压转子各阶稳态不平衡响应值要比采用长拉杆方案低压转子的各阶稳态不平衡响应值大，即采用短拉杆方案的低压转子对不平衡量更为敏感，从减小发动机整机振动和降低转子高速动平衡难度出发，宜优先采用长拉杆方案。

[1]邓旺群，郭飞跃，高德平.装实心和空心传动轴的动力涡轮转子动力特性对比研究[J].航空发动机，2005，31(1)：6-9+27.

[2]邓旺群，郭飞跃，高德平.高速柔性转子的主要零部件对其动力特性的影响[J].机械强度，2006，28(6)：813-819.

[3]邓旺群.航空发动机柔性转子动力特性及高速动平衡试验研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.

[4]陈铁峰，荆建平，孟光，等.双裂纹转子振动特性的有限元和实验研究[J].噪声与振动控制，2010，30(5)：15-19.

[5]梅庆，欧园霞.支承布置对双支承转子动力特性的影响[J].振动工程学报，2004，17(S)：156-158.

[6]焦旭东，秦卫阳，孙涛，等.带挤压油膜阻尼器双盘转子动力学响应与支承优化[J].噪声与振动控制，2013，33(5)：1-3.

Influence of Different Draw-bars on Dynamic Characteristics of a High Speed Flexible Rotor

NIE Wei-jian1,2,DENG Wang-qun1,2,HE Ping1, GUO Tian-cai1,2,YANG Hai1,2
(1.ChinaAviation Powerplant Research Institute,Zhuzhou 412002,Hunan China; 2.Aviation Key Laboratory ofAero-engine Vibration Technology,Zhuzhou 412002,Hunan China)

Finite element models of a low-pressure rotor with two different draw-bars were set up respectively.The dynamic characteristics,including critical speeds,vibration modes and stable unbalance responses,of the rotor with four different supporting stiffness conditions were calculated by SAMCEF/ROTOR software.The influence of different drawbars on the dynamic characteristics of the rotor was analyzed according to the calculation results.The results show that the length of the draw-bar has no influence on the first three-order critical speeds and the first two-order vibration modes of the low-pressure rotor,but has remarkable influence on the third vibration mode and stable unbalance responses.This work may provide a reference for structure design of the low-pressure rotor.

vibration and wave;turbofan engine;low-pressure rotor;dynamic characteristics;different draw-bar; finite element method

V231.92

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.029

1006-1355(2015)03-0135-05

2014－12－12

航空科学基金（20112108001和2013ZB08001）

聂卫健（1991－），男，江西省抚州市人，硕士生，主要研究方向：航空发动机结构强度与振动研究。

邓旺群（1967－），男，硕士生导师。E-mail:hnzzdwq@163.com。