联接螺栓对鼓筒转子临界转速影响的研究

刘元周， 宋志佳， 曹庆宇， 徐升

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引 言

航空发动机转子一般通过联接结构将不同转子段联接起来，常用的联接结构有拉杆联接结构、螺栓联接结构和无螺栓联接结构。螺栓联接结构凭借结构简单、安装方便、可操作性强、联接性能良好的特点[1]，广泛应用于航空发动机转子联接结构中。航空发动机转子作为高速旋转的机械结构，且工作环境复杂，航空发动机转子在达到工作转速之前，会经过临界转速，转子在临界转速附近，会发生剧烈的振动现象，临界转速作为航空发动机转子系统的一个重要设计参数，因此研究联接螺栓结构对转子临界转速的影响具有重要意义[2]。但目前在转子设计过程中，一般忽视螺栓联接结构对所在转子系统动力学特性的影响。

目前，研究螺栓联接对转子系统固有特性的影响的文献资料依然很少。栾宇[3]通过实验与仿真计算的方法研究了螺栓法兰联接的轴向静力响应特性，发现联接结构存在明显的轴向拉压刚度不同特性；刘卓乾[4]分别从径向变形、轴向变形和弯曲变形研究了螺栓联接的振动特性；赵丹[5]以某型航空发动机螺栓联接转子为研究对象，通过数值仿真的方法研究了螺栓联接对发动机转子动力学特性的影响。

本文针对螺栓联接对鼓筒转子系统影响，建立了螺栓联接鼓筒转子模型，利用ANSYS Workbench软件从螺栓数量、螺栓直径和螺栓预紧力3个方面分析了联接螺栓对鼓筒转子临界转速的影响。

1 螺栓联接鼓筒转子模型

根据航空发动机转子分段装配的特点，以一种螺栓联接鼓筒转子结构为例，建立螺栓联接鼓筒转子模型如图1所示，鼓筒转子模型的两端为轴承简化的弹性支承，并理想地将轴承简化的弹性支撑视为线性，无交叉刚度和阻尼。鼓筒转子模型总长度为930 mm，轴长度为375 mm，轴直径为φ40 mm，安放轴承处直径为φ35 mm，盘直径为φ360 mm，厚度为10 mm，鼓筒直径为φ360 mm，筒壁厚度为5 mm，每个盘与鼓筒之间可以布置16个螺栓。螺栓联接鼓筒转子模型材料选用45钢，材料的弹性模量取209 GPa，泊松比取0.3，密度取7850 kg/m3。利用ANSYS Workbench 软件中Modal模块进行仿真计算，计算过程中涉及的螺栓面与盘面、螺母面与鼓筒面之间的面接触、盘与鼓筒之间的接触面均设置为摩擦接触。

2 螺栓数量对临界转速的影响

首先对盘与鼓筒紧固的鼓筒转子进行仿真计算，获取鼓筒转子的前3阶临界转速。然后取螺栓直径为φ8 mm，螺栓预紧力为5000 N，每个盘与鼓筒之间的螺栓数量分别为4、8、16的三种情况进行仿真计算，取前3阶临界转速研究螺栓数量对临界转速的影响。临界转速在不同螺栓数量下的比较如表1所示。

表1 不同螺栓数量下临界转速的比较 r/min

由表1可以看出，采用不同螺栓数量联接的鼓筒转子前3阶临界转速均小于鼓筒转子刚性简化后的前3阶临界转速；在相同螺栓直径和螺栓预紧力的条件下，第1阶临界转速和第2阶临界转速随着螺栓数量的增加不断增大，8组螺栓联接鼓筒转子前2阶临界转速与4组螺栓联接鼓筒转子前2阶临界转速相比大约升高34 r/min，16组螺栓联接鼓筒转子前2阶临界转速与8组螺栓联接鼓筒转子前2阶临界转速相比，大约升高4 r/min，临界转速的增长幅度减小；第3阶临界转速随着螺栓数量的增加而减小，8组螺栓联接鼓筒转子第3阶临界转速与4组螺栓联接鼓筒转子第3阶临界转速相比，大约降低68 r/min，16组螺栓联接鼓筒转子第3阶临界转速与8组螺栓联接鼓筒转子第3阶临界转速相比，大约降低42 r/min；临界转速的降低幅度减小。这是因为增加螺栓数量增加了盘与鼓筒联接触处的数量，改变了鼓筒转子的固有频率，影响了鼓筒转子的临界转速。

3 螺栓直径对临界转速的影响

取每个盘与鼓筒之间的螺栓数量为8，螺栓预紧力为5000 N，螺栓直径分别为φ8、φ10、φ12 mm的三种情况进行仿真计算。选取前3阶临界转速进行研究螺栓数量对临界转速的影响。临界转速在不同螺栓直径下的比较如表2所示。

表2 不同螺栓直径下临界转速的比较 r/min

由表2可以看出，采用不同螺栓直径联接的鼓筒转子前3阶临界转速均小于鼓筒转子刚性简化后的前3阶临界转速；在相同螺栓数量和螺栓预紧力的条件下，鼓筒螺栓转子的前3阶临界转速随螺栓直径的增大而增大，螺栓直径φ10 mm转子的前3阶临界转速与螺栓直径φ8 mm转子的前3阶临界转速相比，临界转速均有所升高，但均低于螺栓直径φ12 mm转子的前3阶临界转速与螺栓直径φ10 mm转子的前3阶临界转速的升高幅度，临界转速的增长幅度增加。这是因为增大螺栓直径将增加螺栓联接处的接触刚度，影响了鼓筒转子的临界转速。

4 螺栓预紧力对临界转速的影响

取螺栓直径为φ8 mm，每个盘与鼓筒之间的螺栓数量为8，为明显区分螺栓预紧力对临界转速的影响，螺栓预紧力分别选取为1000、3000、5000 N的三种情况进行仿真计算。选取前3阶临界转速研究不同螺栓预紧力下的转子临界转速。在不同螺栓预紧力下临界转速的比较如表3所示。

表3 不同螺栓预紧力下临界转速的比较 r/min

由表3可以看出，前3阶临界转速随着螺栓预紧力的增大均不断增大，但均小于转子刚性简化结构的临界转速。这是因为螺栓预紧力影响联接处的松紧程度，接触面间提高预紧力增加了鼓筒转子的整体刚度，使鼓筒转子临界转速不断增大。

5 结 论

本文以一种螺栓联接鼓筒转子为例，采用ANSYS Workbench中模态分析模块研究了联接螺栓对鼓筒转子临界转速的影响情况，得到如下的结论：1）采用螺栓联接的鼓筒转子同刚性简化鼓筒转子相比，螺栓联接鼓筒转子的刚度较低，在低转速时，鼓筒转子临界转速会降低；2）增加螺栓数量改变了鼓筒转子螺栓联接处的刚度，改变了鼓筒转子的固有频率，影响了转子的临界转速；3）增大螺栓直径将增加螺栓联接的刚度，当鼓筒转子转速较低时，螺栓直径越大转子临界转速越大；4）螺栓预紧力越大，接触面间的接触刚度越大，鼓筒转子的刚度越大，其临界转速越大；5）在不考虑螺栓联接影响的情况下分析螺栓联接鼓筒转子的临界转速，会使分析的临界转速偏大。