航空发动机整机振动特性分析

航空发动机整机振动特性分析

摘要：本文以涡轮转子工作状态受扭情况分析为出发点，探讨了涡轮转子对

涡桨发动机整机振动的影响。分析得出：关键零组件的机械加工质量是影响航空

发动机整机振动的最主要因素，两转子的动平衡质量是影响整机振动的直接因素，装配过程的调整质量是影响整机振动的诱发因素。并给出了一些可行的整机振动

控制措施。

关键词：涡桨发动机航空发动机整机振动控制措施涡轮转子

1涡轮转子工作状态受扭情况

由于转子系统的振动主要取决于转子系统的质心偏离旋转中心线的距离，即

挠度；而对同一轴类零件，抗弯刚度是定值时，挠度大小只与轴所受扭矩成正比。本文按理想模式简单估算涡轮轴在几种极限状态受扭情况，把其对振动的影响做

一个直观的量化比较。

涡轮转子在工作状态下，轴主要受到如下三种扭矩作用：

a.涡轮轴内花键分度圆偏心，引起转子质心偏离旋转中心线，质心上的离心

力对轴产生扭矩M1。

b.涡轮转子与压气机转子采用松动花键联接，两转子不同心时，花键联接间

有摩擦力矩存在，对轴产生扭矩M2。

c.由于涡轮轴加工的形位公差的存在，造成质心偏离旋转中心线，整个涡轮

转子作用在质心上的离心力对轴产生扭矩M3。

2花键联接间摩擦力矩产生的过程

发动机压气机转子与涡轮转子采用松动花键联接，花键联接间隙允许两转子

不同心，即旋转轴不同直线。当涡轮轴相对压气机转子旋转轴中心线偏斜（或涡

轮轴弯曲变形）时，花键联接下方的点啮合部分最短，上方的点啮合部分最长。

当发动机转子转动时，便可看到沿圆周的各花键齿的啮合长度不断变化。设

想在和涡轮轴一起进动的坐标面上观察，看到转子以一定速度自转，在0位置点

啮合长度最短，在2位置啮合长度最长，当转子转动时，花键联接由0-1-2转动，涡轮轴内花键向左深入压气机转子后轴颈外花键中，齿上受到向右的摩擦力作用，相对的一面原在2位置的齿转到3位置再转到0位置，齿逐渐向右移动减小啮合

长度，齿上受到向左的摩擦力作用。在0-1-2面和2-3-0面的摩擦力大小相等方

向相反形成摩擦力矩，力矩的方向垂直于涡轮轴，这种摩擦力矩使涡轮转子产生

振动失稳。

3对M1、M2、M3的简单估值

3.1对M1的估值

由于涡轮轴加工引起的内花键套齿分度圆偏心是不可避免的，所以M1对转

子的影响是始终存在的。按极限状态，涡轮轴内花键对轴承支点的跳动量最大为0.055mm。

m——涡轮转子重量71.19kg

l1——涡轮转子花键端面到轴承支点的距离360mm

l2——涡轮转子质心到轴承支点的距离120mm

δ——涡轮轴内花键对轴承支点的跳动量，取0.5mm

e——由于内花键跳动而涡轮转子质心的偏移量

e=l2/l1 δ=1.7×〖10〗^(-3)

cm （1）

由此引起的离心力

F=mω^2 e=m×(2πn)^2×e=3230N（2）

其中，n为发动机工作转速，取15600rpm。

离心力对轴产生扭矩

M1=F∙l2=387.6N∙m （3）

3.2对M2的估值

根据第2章所述对涡轮转子与压气机转子松动花键联接在工作状态下的运动分析，简单计算发动机Ⅱ支点处涡轮轴内花键上所受摩擦力对涡轮转子的摩擦力矩作用。

涡轮轴内花键的局部受力分析，齿面上法线方向扭矩压力用Fs表示，切线方向扭矩压力用Ft表示。

Ⅱ支点处传递的总扭矩

M2’=P/ω=P/2πn=3151.6N∙m （4）

其中，P为涡轮在Ⅱ支点处传递的总功率，取7000马力；n为发动机工作转速，取15600rpm。

涡轮轴内花键齿面上切线方向扭矩压力

Ft=(M2’)/R=112557.1N（5）

其中，R为涡轮轴内花键分度圆半径28mm。

单齿齿面上切线方向扭矩压力

Ft_单=Ft/N=4019.9N （6）

其中，N为涡轮轴内花键齿数28。

单齿齿面上法线方向扭矩压力

Fs_单=Ft_单cosθ=3481.3N（7）

其中，θ为涡轮轴内花键压力角30°。

单齿所受摩擦力

F_单摩=μFs_单=522.195N （8）

其中，μ为摩擦系数，取0.15。

设涡轮轴内花键每个齿所传递的扭矩是相等的，即总扭矩在28个齿上的分布是均匀的，则有每个齿所受摩擦力相等，均为F单摩。根据第2章所述对涡轮转子与压气机转子松动花键联接在工作状态下的运动分析可知，只要两者有相对运动，总是存在26个齿形成13对摩擦力矩，处在正上、正下两点处的齿相对静止，无摩擦力。根据涡轮轴内花键各齿摩擦力分布情况，每两个相对的摩擦力所产生的力矩等于F单摩与两个相对的摩擦力间的弦长的乘积，即：

M_单摩=F_单摩

∙L （9）其中，F单摩是定值，L是变量，L值随所处位置不同而变化。利用近似计算的方法可求出其平均值近似计算的方法可求出其平均值Lv。

利用面积相等进行近似计算

S=πR^2=2R∙Lv （10）

可求得弦长平均值

Lv=π/2 R=0.044mm（11）

其中，R为涡轮轴内花键分度圆半径28mm。

则涡轮轴内花键上所受摩擦力对涡轮转子的摩擦力矩

M2=M_摩=13×F_单摩×Lv=298.7N（12）

3.3对M3的估值

涡轮轴上轴承支点安装轴径的椭圆度和锥度不大于0.008mm，那么当这个形位公差存在时，发动机工作时，由于质心偏离旋转轴中心线，产生的离心力：