航空发动机高压模拟转子自由模态分析与试验

全 勇 ，吴桂娇 ，黄 巍

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空发动机振动技术航发科技重点实验室，湖南 株洲 412002；3.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海200241）

航空发动机高压转子在工作中受气动载荷、机动载荷、弹支挤压油膜阻尼器油膜力、螺栓连接等作用力的共同作用产生复杂的振动。高压转子动态特性和振动响应特性对发动机性能具有显著的影响，航空发动机转子结构的振动分析对分析发动机整机的振动特性具有重要的意义[1-2]。某航空发动机高压模拟转子是为验证某型航空发动机验证机高压转子动力学设计而设计、加工的模拟转子。本文以该高压模拟转子为对象，进行了自由模态分析，并采用锤击法开展了相应的模拟转子自由模态试验。同时研究了拆除了弹性盘、涡轮盘结构对转子自由模态频率的影响。通过仿真分析与试验结果对比为转子动力学特性试验及转子动力特性优化设计提供了参考。

1 模拟转子

某型航空发动机高压模拟转子主要由十级模拟压气机盘及两级模拟涡轮盘、鼓筒及涡轮盘之间的弹性盘组成。转子采用了1-0-1支承形式，前支点设置了带弹性支承的挤压油膜阻尼器，后支点为具有较强刚性的锥形支承结构。转子总长约为1 600mm，质量约为300 kg.模拟转子结构示意图见图1.

2 自由模态分析

高压模拟转子计算用材料性能数据列于表1.利用ANSYS软件对模拟进行了模态分析，法兰连接处等效为刚性连接[3-4]。模拟转子的3维有限元模型见图2，表2、图3、图4为计算结果。

表1 材料性能数据

图2 模拟转子有限元模型

表2 模拟转子前两阶自由模态频率

图3 一阶弯曲模态振型

图4 二阶弯曲模态振型

从表2及图3、图4可以看出模拟转子前两阶自由模态分别为一弯、二弯模态振型，尤其一弯模态频率较低，在模拟转子的工作转速范围内。弹性盘与涡轮盘通过止口定位，轴向通过两级涡轮盘压紧。弹性盘连接可靠性受压紧力大小、止口定位面加工精度影响较大。在模态分析中分别计算了拆除弹性盘、涡轮盘对转子自由模态的影响。完整高压模拟转子以及拆除弹性盘、涡轮盘的高压模拟转子的自由模态计算结果见表3.

表3 三种状态的自由模态频率

从表3可以看出拆除弹性盘后高压模拟转子的一弯模态频率、二弯模态频率均显著降低，其中一弯模态频率降低15.6%，二弯态频率降幅甚至达到32.8%.这是因为弹性盘在两级涡轮盘之间装配时通过轴向压紧力及止口定位面将两级涡轮盘连接为一体，拆除弹性盘后两级涡轮盘之间没有接触，涡轮盘附件转子的局部刚度大幅度降低，刚度降低对模态频率的影响大于质量减轻的影响，从而导致模拟转子两阶自由模态频率大幅度减小。拆除弹性盘后同时将二级涡轮盘一起拆除，在模态分析中发现一弯模态频率、二弯模态频率都有不同程度增大，其中一弯模态频率增幅25.0%，二弯模态频率增幅5.5%.这是因为二级涡轮盘质量相对较大，拆除弹性盘、二级涡轮盘的总质量降低对模态频率的影响大于刚度降低的影响，从而导致了模拟转子两阶自由模态频率有一定程度的增大。通过对多种状态模拟转子的自由模态分析可以看出，弹性盘结构对于增强转子在涡轮盘位置的局部刚度有着显著的作用，弹性盘对转子局部刚度的强化作用，能大幅度提升模拟转子一弯、二弯模态频率。同时需要注意的是在弹性盘的设计、加工及装配过程中需要特别关注弹性盘压缩量、止口定位面配合紧度、加工精度及装配同心度等对模拟转子局部连接刚度有重要影响的因素。

3 自由模态试验

在高压模拟转子的自由模态试验中，通过力传感器对试验件进行振动激励，并将激励载荷变换成相应的动态信号，使用加速度传感器获取振动响应信号，然后通过LMS公司的多通道模态振动试验系统对振动激励和振动响应信号进行记录与分析。在模态试验中，主要进行了完整高压模拟转子及拆除弹性盘及涡轮盘的高压模拟转子的自由模态试验。模拟转子通过吊绳悬挂确保其处于自由状态[5-7]。高压模拟试验照片见图5.模态试验结果见表4，完整高压模拟转子前两阶模态振型见图6.

图5 模拟转子模态试验照片

表4 模态试验与模态分析结构

图6 高压模拟转子前两阶弯曲模态振型

由于关注的是在工作转速范围内的一阶弯曲模态振型，在拆除弹性盘及涡轮盘的高压模拟转子的模态试验中未测量、记录二阶模态频率。通过表4模态试验数据与表3模态分析结果对比可知完整模拟转子的一阶模态频率误差为3.0%，完整高压模拟转子的二阶模态频率误差为1.0%，拆除弹性盘及涡轮盘的模拟转子的一阶模态频率误差为3.1%.由图6高压模拟转子自由模态试验得到的模态振型可知前两阶模态振型确实分别为一弯振型、二弯振型。通过试验与计算结果的对比分析证明了模拟转子模态分析有限元模型的有效性。

4 结论

以某航空发动机高压模拟转子为对象建立了有限元模态分析模型，分析了模拟转子自由模态频率、模态振型并研究了模拟转子中弹性盘、涡轮盘结构对模拟转子自由模态的影响，并结合加工的模拟转子实物开展了相应的自由模态试验得到以下结论：

（1）高压模拟转子的前两阶模态振型分别为一弯模态和二弯模态。

（2）拆除弹性盘模拟后前两阶弯曲模态频率显著降低，弹性盘结构对于增强转子的局部刚度有着显著的作用，能大幅度提升模拟转子的一弯、二弯模态频率。

（3）拆除弹性盘及涡轮盘后模拟转子前两阶弯曲模态频率增大，说明弹性盘、二级涡轮盘的总质量降低对模态频率的影响大于刚度降低的影响。

（4）模态分析最大误差小于3.1%，证明了建立的有限元模型的有效性。