柔性轉(zhuǎn)子動力特性研究_圖文

1、柔性轉(zhuǎn)子動力特性研究史亞杰 1 王孝利 2 洪 杰 1 朱梓根 1(1. 北京航空航天大學(xué) , 北京 100083(2. 空軍駐京豐地區(qū)軍事代表室 , 北京 100074摘要 :以某渦扇發(fā)動機(jī)低壓轉(zhuǎn)子為對象 , 采用有限元方法分析了支承剛度 、 支承軸向位置 、子動力特性的影響 , 得出了有意義的結(jié)論 ,關(guān)鍵詞 :柔性轉(zhuǎn)子 動力特性 支承系統(tǒng) 有限元ofSystem Xiaoli 2 Hong Jie 1 Zhu Zigen 1of Aeronautics and Astronautics , Beijing 100083, China 2. Customer Representative i

2、n Fengtai District , Beijing 100074, China Abstract :Based on the low pressure rotor system of a turbofan engine , influence of supporting stiffness , axial sup 2 porting position and gyro torque on flexible rotor system dynamic characteristics are analyzed with finite element method. S ome conclusi

3、ons helpful for the design of flexible rotors are drawn.K ey w ords :flexible rotor ; dynamic characteristics ; supporting system ; finite element1 引言 對于高可靠性航空發(fā)動機(jī)來說 , 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè) 計非常重要 。 眾所周知 , 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)首先應(yīng)該 滿足其臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離工作轉(zhuǎn)速的要求 。其次 , 要盡 可能保證在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不出現(xiàn)彎曲振型以改善 軸承的受力狀況 。 另外 , 在有突加不平衡作用力時 , 轉(zhuǎn)子 -支承系統(tǒng)應(yīng)有足夠的阻尼 , 使其振

4、動不會太 大 , 以免導(dǎo)致失穩(wěn) 。為此 , 在進(jìn)行轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計時 , 通常需要從轉(zhuǎn)子跨度 、 支承個數(shù) 、 圓盤質(zhì)量分布 、 支 承標(biāo)高 、 軸承負(fù)荷分配以及材料性能參數(shù)等方面加 以考慮 , 對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計 1。 目前 , 對航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)研究的重點大多 集中在剛性較高的轉(zhuǎn)子上 , 且在設(shè)計時盡量使在工 作轉(zhuǎn)速以下不出現(xiàn)彎曲振型 。 隨著對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和 性能要求的進(jìn)一步提高 , 柔性轉(zhuǎn)子開始應(yīng)用于航空 發(fā)動機(jī) , 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的彎曲振型出現(xiàn)在工作轉(zhuǎn)速以下 , 各種因素對剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振型和臨界轉(zhuǎn)速的影響規(guī) 律不再適用 。 本文從支承剛度 、 支承軸向位置和陀螺力矩的 影響方面對柔性轉(zhuǎn)子系

5、統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速和振型的設(shè)計進(jìn) 行了研究 。2 某低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元分析模型2. 1 轉(zhuǎn)子基本描述 某渦扇發(fā)動機(jī)低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由風(fēng)扇組件和低壓 渦輪組件組成 , 二者通過套齒聯(lián)軸器和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子內(nèi) 的 1根彈性小軸連接 。 該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由 3個支承點支 承在機(jī)匣上 , 如圖 1所示 。 該轉(zhuǎn)子的軸細(xì)長 , 而風(fēng)扇 和渦輪盤片的質(zhì)量相對較大 。2. 2 有限元模型 合適的計算模型是得到準(zhǔn)確而可靠臨界轉(zhuǎn)速計 收稿日期 :2004-08-03 第一作者簡介 :史亞杰 (1976 , 北京航空航天大學(xué)在讀博士研究生 , 研究方向為轉(zhuǎn)子動力學(xué)和葉片減振。41 航 空 發(fā) 動 機(jī) 2005年第 31卷第 1期 圖 1

6、某渦扇發(fā)動機(jī)低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)算結(jié)果的保證 2。建立有限元模型時 , 既要考慮能保證結(jié)果的可靠性 , 又要顧及計算規(guī)模 。 為此 , 首先 對 2種有限元模型 (細(xì)致的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實體有限元模 型和簡化的梁 -質(zhì)量單元有限元模型 進(jìn)行比較 , 以 確定最終的分析模型 。 圖 2(a 是采用 ANSYS 建立的實體有限元模 型 。 根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 , 采用了 2種單元 , 一種 是 8節(jié)點 SOL ID45單元 , 共 7020個單元 、 9565個 節(jié)點 ; 另一種是質(zhì)量單元 MASS21, 質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量 , 共 40圖 是梁 -個梁單 元 、 76。(a 實體單元模型(b 梁 -質(zhì)量元模型圖

7、2 有限元模型 在自由邊界條件下 , 分別采用上述 2種模型對 轉(zhuǎn)子橫向振動靜13所示 。表 (Hz 實體模型梁單元模型相對誤差 (%第 1階 103. 01011. 94第 2階 244. 52382. 66第 3階476. 54632. 80 通過計算得出 , 在自由狀態(tài)時 ,2種模型前 3階 非剛體振型完全相同 , 對應(yīng)的固有頻率最大相對誤 差為 2. 8%。 這說明采用相對簡單的梁 -質(zhì)量單元 模型是可行的 。3 支承剛度對轉(zhuǎn)子動力特性的影響 支承剛度對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性的影響曾有很多 研究 , 在試驗和理論方面積累了大量經(jīng)驗 , 轉(zhuǎn)子設(shè)計 準(zhǔn)則對支承剛度需要滿足的條件也做了規(guī)定 。 但

8、如 前所述 , 大多數(shù)工作是針對轉(zhuǎn)軸剛性較高的轉(zhuǎn)子進(jìn) 行的 , 要求轉(zhuǎn)子的彎曲振型出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速以 上 , 對細(xì)長 、 多支承 、 低剛性的轉(zhuǎn)子的研究還不充分 。 下面以如圖 1所示的轉(zhuǎn)子為對象 , 基于上述簡單的 梁 -質(zhì)量單元模型 , 分析支承剛度對臨界轉(zhuǎn)速的影 響 。 由于受其他條件的限制 , 設(shè)計該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承 方案時 , 要求兩端支承剛度不變 , 只能對中間支承的 剛度進(jìn)行調(diào)整 。 記中間支承的相對剛度 R k 為中間 支承剛度 K s 和轉(zhuǎn)子剛度 K r 之比 , 即R k =K s /k r 圖 4給出了不同轉(zhuǎn)速時中間支承剛度的變化對 前 4階固有頻率的影響 。從圖中可以看出

9、 , 中間支 承剛度的變化對轉(zhuǎn)子前 3階固有頻率的影響非常 小 , 但對第 4階固有頻率的影響較大 。這有別于轉(zhuǎn) 子剛度較大的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的 。文獻(xiàn) 3的研究表明 ,R k 越小 , 不平衡響應(yīng)及不穩(wěn)定的趨勢也越不明顯 。因此 , 對某發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言 , 可以盡量降低中間 支承的剛度 。51史亞杰等 :柔性轉(zhuǎn)子動力特性研究 (a 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 6000r/min 時 (b 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 18000r/min 時min 時 (d 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 42000r/min 時圖 不同轉(zhuǎn)速下中間支承剛度的變化對固有頻率的影響4 支承軸向位置對轉(zhuǎn)子動力特性的影響 設(shè)計發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時 , 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求 , 往往需

10、 要對支承的軸向位置進(jìn)行局部調(diào)整 。 圖 5給出了中 間支承位置的改變對某發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速下前 4階固有頻率的影響 。結(jié)果表明 , 中間支承的軸向位 置的改變對固有頻率的影響很小 。這說明 , 通過調(diào) 整支承軸向位置來調(diào)整轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性的方法對 某發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)意義不大 。(a 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 6000r/min 時 (b 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 18000r/min 時(c 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 30000r/min 時 (d 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 42000r/min 時圖 5 不同轉(zhuǎn)速下中間支承剛度的變化對固有頻率的影響61 航 空 發(fā) 動 機(jī) 2005年第 31卷第 1期5 陀螺力矩對轉(zhuǎn)子動力特性的影響 在轉(zhuǎn)速一定時

11、 , 上述計算結(jié)果顯示中間支承的 剛度和軸向位置的改變對某發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子固有頻率的 影響不大 。 但固有頻率 , 尤其是高階頻率隨轉(zhuǎn)速的 變化有較大改變 , 這說明陀螺效應(yīng)對轉(zhuǎn)子的固有頻 率有較大的影響 。 本文通過研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)盤片轉(zhuǎn)動慣量對臨界轉(zhuǎn) 速的影響分析了陀螺效應(yīng)的影響 。其他參數(shù)不變 , 僅改變盤片的轉(zhuǎn)動慣量 , 共計算了 2種情況 , 如圖 6所示 。圖 6 陀螺效應(yīng)對固有頻率的影響 從結(jié)果可以看出 , 盤片轉(zhuǎn)動慣量的改變對某發(fā) 動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的前 3階臨界轉(zhuǎn)速影響較小 , 而對第 4階臨界轉(zhuǎn)速的影響很大 , 也就是說陀螺力矩對某 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速是一種有效的調(diào)整措施 。 而對轉(zhuǎn)子

12、剛度比較大的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)來說 , 陀螺力矩的 影響很小 , 僅作參考 。6 總結(jié) 研究了支承剛度 、 支承軸向位置和陀螺力矩等 因素對某發(fā)動機(jī)柔性轉(zhuǎn)子動力特性的影響 。 研究表 明 , 響 , , 。 , 在進(jìn)行不同轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性設(shè)計時應(yīng)注意 。參考文獻(xiàn)1 航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊 總編委會編 . 航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊 (第 19冊 :轉(zhuǎn)子動力學(xué)及整機(jī)振動 M , 北京 :航空工 業(yè)出版社 ,2000.2 MasaharuShinozaki ,OsamuFunatagawa ,MasaoK obayashi. Study of stator structure modeling for rotor d

13、ynamic analysisJ.Proceedings of ASME Turbo Expo 2001, J une 4-7New Orieans , Louisiana USA , 2001-GT -0254.3 Barrett L E , et al. Optimum bearing and support damping for unbalance response and stability of turbomachineryJ.J. of Eng. For Power , 1978:8994.(責(zé)任編輯 李華文 歐盟啟動新的綠色航空發(fā)動機(jī)研制計劃 在 EEFAF 和 SIL ENC

14、ER 計劃之后 , 歐盟又啟動了一項為期 4年的 V ITAL 計劃 。該計劃總預(yù)算為 9500萬歐元 , 由 SN ECMA 公司領(lǐng)導(dǎo) , 合作伙伴包括 RR 、 M TU 、 VOLVO 、 ITP 、 AV IO 、 RRD 等歐洲重要發(fā) 動機(jī)制造商 。 V ITAL 計劃的目標(biāo)是 , 以 2000年的世界發(fā)動機(jī) 研制的先進(jìn)水平為基準(zhǔn) , 到 2020年 , 發(fā)動機(jī)的噪聲降 低一半 (降低 10dB ,NOx 排放量降低 80%,CO 2排 放量降低 50%, 費(fèi)用適當(dāng)減少 。 SN ECMA 公司宣稱 , ” V ITAL 計劃的目標(biāo)只有 在技術(shù)實現(xiàn)真正的突破的前提下才能達(dá)到 。 ” 為此 , 該 計劃重點開發(fā)和驗證以下技術(shù) :1 開發(fā)無靜子對轉(zhuǎn)風(fēng)扇 、 齒輪驅(qū)動的風(fēng)扇和低速風(fēng)扇 , 提高氣動效率 、 降低 噪聲 、 減輕質(zhì)量和降低費(fèi)用 ; 2 開發(fā)先進(jìn)的氣動 、 機(jī) 械 、 加工和降噪技術(shù) , 減少增壓級的部件數(shù) , 減輕質(zhì) 量 ;3 開發(fā)智能 /功能材料 、 自動化