航空发动机双转子系统的振动特性分析

航空发动机双转子系统的振动特性分析
宋雪峰
【摘要】以某航空发动机双转子系统为研究对象,建盘考虑coriolis效应的双转子轴承系统的动力学模型,采用有限元法对双转子系统进行了模态分析和振型计算;分析不同转速比下转子系统的不平衡响应,发现不同转速比对转子的共振点影响极小,但是对振幅有一定的影响;研究转子的支承刚度对系统频率的影响,发现随着支承刚度的增加,转子的频率也会逐渐增大,但当刚度达到108以上时,频率变化甚小.研究结果为双转子系统的设计与计算提供理论参考.
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】2页(P170-171)
【关键词】双转子;振动特性;有限元
【作者】宋雪峰
【作者单位】黄石新兴管业有限公司,湖北黄石435005;北京工业大学电子信息与工程控制学院,北京100000
【正文语种】中文
【中图分类】O322
0 引言
由于发动机有着结构复杂、转速高，高低压转子之间存在转速差，同时也受到自身
结构因素、支撑布局等方面因素的影响，这些因素直接影响了转子系统的动力特性，也是国内外专家学者研究的重点问题，Gunter［1］应用传递矩阵法对同向转子和反向转子系统的临界转速和不平衡响应进行了计算和分析；K Gupta［2］采用传
递矩阵法计算分析了转子的临界转速，模态振型及转子间的相互激励；陈果［3］采用 Newmark-β 法和改进的 Newmark-β 法相结合的数值积分获取系统的非线
性动力学响应；罗贵火［4］考虑中介轴承中的非线性因素建立了双转子系统动力学模型，通过数值分析和实验验证研究了反向旋转双转子系统的响应特性；白雪川［5］利用基础运动的航空发动机双转子模型试验台，研究了机动飞行对反向旋转双转子系统动力学特性的影响。

上述这些文献基本上都是基于传递矩阵法和数值分析来建立的求解方法，这使得具有复杂结构特征转子系统的临界转速在工程应用中受到限制。

本文以有限元理论为基础，建立某航空发动机双转子轴承系统的动力学模型，分析了双转子系统的模态特征，以及在不同激励下的响应问题，分析的结果对该类转子系统的设计和分析具有重要的参考价值。

1 双转子的有限元模型
航空发动机转子一般都是由鼓盘结构组成，在各级盘上都有叶片，由于双转子系统的结构比较复杂，所以在建模过程中对模型进行了简化，简化后的双转子系统的有限元模型，如图1所示。

模型有内外两个转子组成，分别模拟高压转子和低压转子，其涡轮和叶片用圆盘来模拟。

内外转子之间用中介轴承来连接。

整个转子长度为8.95 m，外转子长度为4.14 m。

轴承用弹簧来模拟，忽略了轴承阻尼。

图1 双转子动力学有限元模型
2 模态分析
转子有限元模型采用BEAM188模拟转子，用COMBIN214单元模拟轴承，用MASS21质量单元来模拟转盘，对模型进行有限元分析得出模态结果如图2所示。

从转子的模态图中可以看出，一阶模态主要表现为内转子的扭转振动，二阶、三阶模态表现为外转子的弯曲振动，四阶模态主要表现为内转子的弯曲振动，五阶模态主要表现为弯曲和扭转振动的耦合振动，六阶模态主要表现为外转子的弯扭耦合振动。

3 不平衡响应分析
对图1中的两个弹簧节点施加全约束，相当于固定轴承。

为模拟双转子系统的工作情况，对不同转速下不同激励的转子进行不平衡响应分析。

在转盘处也就是节点10处施加不平衡质量0.13 kg，设置子步数为300，分析的频率范围是0～200 Hz，分析过程要考虑coriolis效应的影响。

图3为内外转子转速比为1：1.5的响应图，图4为内外转子转速比为1：2的响应图，从图中可以看出，转速比的改变对转子发生共振的频率影响不大，也就是说在不同转速只是对共振点的响应值大小产生影响。

图2 双转子六阶模态图
图3 转速比1∶1.5不平衡响应图
图4 转速比1∶2不平衡响应图
4 刚度变化对频率的影响
轴承对转子系统的高速旋转有着较大的影响，从图5可以看出系统的一阶和二阶频率随着支承刚度的变化而不断的增大，当支承刚度增大到7×108N/m时，频率值随着刚度的增大而不再发生改变，这是因为随着刚度的增大，系统的支承更加稳定，转子系统在高速旋转时，支承部分随着刚度的越来越大而近似于刚性支承，所以对转子的频率的影响就会逐渐减小。

通过反复计算发现，无论刚度怎么变化，一阶和二阶振动轨迹的变化非常小，且运动趋势是一致的。

5 结论
建立了考虑陀螺力矩影响的航空发动机双转子的有限元模型，并对双转子的动力学
模型进行了模态分析和不同转速比下转子系统的不平衡响应，发现不同转速比对转子的共振点影响极小，但是对振幅有一定的影响；同时分析了转子的支承刚度对系统频率的影响，发现随着支承刚度的增加，转子的频率也会逐渐增大，但当刚度达到108N/m以上时，临界频率变化甚小。

图5 频率随刚度变化曲线
［参考文献］
［1］ GUNTER E J，BARRETT L E，ALLAIRE P E.Design of Nonlinear Squeeze-Film Dampers for Aircraft Engines［J］.Journal of Lubrication Technology，1977，99（1）：57-64.
［2］ GUPTA K，GUPTA K D，ATHRE K.Unbalance response of a dual rotor system theory and experiment ［J］.Journal of Vibration and Acoustics，1993，115（4）：427-435.
［3］陈果.双转子航空发动机整机振动建模与分析［J］.振动工程学报，2011，24（6）：619-632.
［4］罗贵火，周海仑，王飞，等.含滚动轴承的同向和反向旋转双转子系统动力学响应［J］.航空动力学报，2012，27（8）：1887-1894.
［5］白雪川，曹树谦，杨蛟，等.机动飞行时航空发动机反向旋转双转子动力学实验研究［J］.机械科学与技术，2015，34（4）：623-628.。