航空发动机动力涡轮转子动力学分析与试验研究

2023年12月14日发(作者：泉州洛阳桥)

China Science & Technology Overview工艺设计改造及检测检修航空发动机动力涡轮转子动力学分析与试验研究

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）模拟转子的动力特性有限元计算模型，通过对动力涡轮转子进行有限元分析，计算得到转子的前三阶临界转速和振型，并在卧式高速旋转试验器上进行了动力学试验研究。研究表明：动力涡轮模拟转子在工作转速范围内存在两阶弯曲临界转速，计算模型很好地反映了模拟转子的动力特性，研究为真实转子动力学分析和试验提供了技术支持。关键词：航空发动机；动力涡轮转子；动力学；试验研究中图分类号：V231.96 文献标识码：A

摘 要：以某型号航空发动机大尺寸动力涡轮模拟转子作为研究对象，对其开展动力学分析和试验研究，建立该发动机动力涡轮舒斯荣文章编号：1671-2064(2022)13-0077-03作条件极端恶劣，使其动力学特性具有较大的不确定性。因此，初始的转子设计直接应用到发动机上可能存在较大的风险，工程上往往会在设计之初按照结构和动力学相似原理搭建相应的模拟转子（连接结构、支承布局、质量惯性等与真实转子基本保持一致）进行动力学分析和40000RPM～60000RPM，远高于常见的大型军用和商动机研制的过程中显得尤为关键，合理的临界转速设计则用航空发动机，基于此，转子动力学设计在中小型航空发是转子动力学设计的最基本要求。为了满足转子的临界变质量分布、优化转子结构等。采用弹性支承是改变航空发动机转子临界转速较为便捷的一种方法，并在很多航空发动机转子动力学设计中得到了应用。弹性支承分为鼠性、临界转速设计以及转子动力学设计的合理性需要通过试验研究确定。转子的动力特性进行了系统分析，并开展了动力涡轮模拟转子的动力学分析和试验奠定了坚实的基础。轴承1轴承2航空发动机转子结构复杂、负荷大、工作转速高，工1.转子结构简介由动力涡轮轴、动力涡轮一级模拟盘、动力涡轮二级盘模拟盘等零部件组成。转子动力涡轮轴采用空心结构，同时为了保证动力涡轮模拟转子的动力特性与真实动力涡轮转子动力特性保持基本一致，设计的动力涡轮模拟盘的质心位置、质量、转动惯量均与真实盘具有良好的一致性。转子共4个支点，分别为“轴承1”“轴承2”“轴承6.5”及“轴承7”，其中，“轴承1”为球轴承，“轴承2”“轴是一个细长、空心结构的柔性转子。该动力涡轮模拟转子2号采用鼠笼式弹性支承，其刚承6.5”和“轴承7”均为滚棒轴承。动力涡轮模拟转子度主要受鼠笼弹条长度、宽度和油膜间隙等参数影响。鼠笼式弹性支承结构见图2，图2 中，a1为法兰边。动力涡轮模拟转子结构示意图见图1。整个转子主要验证[1-7]。中小型航空发动机核心机工作转速通常高达转速裕度要求，常用的方法有选择恰当的支承刚度、改笼式弹性支承和弹性环式弹性支承，两者各有优缺点，目前，鼠笼式弹性支承的应用较广。然而，计算模型的准确本文通过建立动力涡轮模拟转子有限元计算模型，对图2鼠笼式弹性支承结构示意图转子试验研究，同时对比了计算结果和试验结果，为真实轴承6.5

轴承7图1 动力涡轮模拟转子结构示意图收稿日期：2022-05-19

作者简介：舒斯荣（1985—），男，江西抚州人，本科，工程师，从事航空发动机零部件强度试验研究工作。2022年7月上 第13期 总第385期77

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支承1支承2

支承6.5集中质量支承7

图3 动力涡轮模拟转子有限元分析模型(a)第一阶(b)第二阶图4 动力涡轮模拟转子前三阶振型(c) 第三阶2.有限元分析模型为了建模方便，在建模时，将动力涡轮一级模拟盘和2.1 集中质量见表2。表2 支承刚度轴承15轴承21.78轴承6.53.5轴承70.0154动力涡轮二级模拟盘的部分盘体用集中质量代替，使用集中质量模拟部分盘体，用集中质量模拟的部分动力涡轮一级盘和动力涡轮二级盘的质量、极转动惯量、直径转动惯量等质量特性见表1。零件名称部分动力涡轮一级模拟盘部分动力涡轮二级模拟盘支承编号支承刚度（E+7N/m）/表1 集中质量特性质量/kg10.39914.337极转动惯量/直径转动惯量/kg·m2kg·m289169137823纹孔、圆角等一些细小的局部结构。运用软件PATRAN对转子模型进行前处理，简化结构，忽略倒角、螺2.3 有限元模型基于梁单元对模型进行网格划分，然后借助分析软件元、轴承单元以及不平衡量单元的建立），用轴承单元模子的主体部分。模型共有708个梁单元，717个节点，2个集中质量单元以及4个轴承单元，建立了动力涡轮模拟SAMCEF/ROTOR完善计算模型（主要包括集中质量单拟动力涡轮模拟转子的各个轴承、集中质量单元模拟两级动力涡轮模拟盘的部分盘体、梁单元模拟动力涡轮模拟转78动力涡轮模拟转子共有4个支点，计算时各支承刚度2022年7月上 第13期 总第385期2.2 支承刚度

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D3(⊥)D4(＝)D2(⊥)D1(⊥)动力输入模拟转子真空仓前支座后支座转接段转子有限元分析模型，见图3。3.动力特性计算结果图5 转子测试示意图结果及相对于试验结果的计算误差如表4所示。表4中，试验值为四个测点测得的平均值。阶临界转速和前三阶振型进行计算分析，计算结果见表3，振型见图4。轮模拟转子存在两阶弯曲临界转速，即动力涡轮模拟转子满足设计要求；动力涡轮模拟转子前三阶振型均为弯曲振表3 前三阶临界转速计算结果第一阶4730>35在表2的支承刚度条件下，对动力涡轮模拟转子前三从表3和图4可知，在整个工作转速范围内，动力涡跨两阶临界转速工作，前三阶临界转速的裕度均大于20%，型，动力涡轮轴细长是造成转子发生弯曲变形的主要原因。第二阶9250>20第三阶26533>50临界转速/r/min裕度/%4. 试验研究制系统、润滑系统、拖动系统、真空系统和支承系统组对真空仓事先抽至真空状态，然后再进行试验。试验过程中通过光电传感器、电涡流位移传感器、加速度传感器分试验在卧式高速旋转试验器上进行，试验器主要由控成，在试验过程中，由电机驱动通过浮动轴带动转子旋转，实现动力输入。试验在真空环境下进行，通过真空泵别测量转子转速、转子挠度、支座和转接段上的振动加速图6 转子挠度随转速变化曲线计算值/r•min-19250度。动力涡轮模拟转子在试验器上的安装及测试示意图如向；D1-D4为位移传感器），主要在转子动力轴上布置4个位移传感器，测量试验过程中的振动位移。器测得的转子挠度-转速曲线如图6示。图5所示（图中：“⊥”表示垂直方向，“＝”表示水平方动力涡轮模拟转子在试验过程中由D1-D4位移传感由于试验得到的第一阶临界转速不明显，因此，只针试验值/r•min-19597表4 临界转速试验结果及计算误差计算误差/%3.615. 结论对第二阶临界转速进行对比分析。第二阶临界转速的试验转子的动力特性有限元分析模型，通过系统计算和分析动2022年7月上 第13期 总第385期本文构建了某航空发动机细长空心结构动力涡轮模拟（下转第102页）79

工程设计施工与管理China Science & Technology Overview过程中，地方垄断问题非常突出，使得招投标管理效率降

低，无法为后续工作提供重要保障。在实际招投标管理工重，并没有严格按照当前的工作流程来进行日常操作，导致招投标管理效果降低。表面看有很多施工企业投标，但作中，施工单位为了投标出现围标和串标的现象非常的严是真正投标人就一个利用这样的手段来承揽项目，对工程建设的影响非常突出。另外，在实际招投标工作中还出现这部分施工单位会从其他方面来增加自身的经济效益，导致工程建设质量无法得到充分保证，使得整个招投标管理效果降低。为了使工程招投标管理工作顺利进行，在实际工作中2.3 资质审核不严谨的问题，严重时会引发盲目报价和盲目承接的问题。不仅3. 水利水电工程建设招投标管理问题对策3.1 加强对招标文件编制的合理性会增加资金的投入比例，还会对工程质量造成一定的影响。为了使水利水电工程招投标管理效果能够得到全面提高，在实施工作中需要严格按照相关的规范以及要求合理的编制招标文件，避免对后续工作产生影响。在实际文件全面审核，减少在招投标文件中产生问题的概率，全面提了注重标价盲目报价的行为，会导致后期工程效益不足，编制时，需要指派专业人员来进行日常的编制，并且做好高整体的编制水平[2]。在进行招标文件编制时，需要严格和准确，和实际工程建设要求相互匹配，避免对后续工程建设产生影响。在实际编制时需要进行招标信息跟踪，做紧时间完成文件编制，要更加主动地掌握最新的信息，了提供重要保障。在完成编制之后需要进行有效的审核，且按照招投标管理的相关要求进行信息整合，合同技术的相关条款要非常详细全面，并且技术规范内容要非常的真实需要加强对投标单位资格的有效审核，因此来筛选出高品题，增加了实际工作的矛盾，也会导致招投标管理水平降性，也没有加强对企业资信和技术的深入性调查，一些符合条件和不符合条件的施工单位均能够参与整个竞标环质的施工单位，从而使整体工作效果能够得到全面提高。好项目论证和可行性研究，经过上级部门审批之后，要抓但是在实际招投标管理工作中出现了资质审核不严谨的问低。例如在实际工作中出现了自定义排斥限制潜在的投标人，在审查也没有严格按照相关的标准来提高审查的针对节，导致管理效率降低。此外在一些地方中还出现了较为标，增加了工程质量问题的发生概率，限制了我国水利水电行业的稳定发展。2.4 监督机制相对滞后解项目的最新投资规模和建设周期等，以此来为项目编制所掌握的信息要相互匹配，减少在招标文件中的不合理问从而使招标文件能够具备较强的精准性。在实际招标文件效传播。避免对后续招标文件的编制产生影响，全面提高整体的编制效果，为后续招投标管理提供重要的保障。3.2 完善招标程序规范性题，要严格按照我国相关法律法规提高整体工作针对性，编制时，要加强信息化建设，将不同部门联系在一起，当有新的信息出现之后可以在信息系统中快速完成信息的有明显的保护主义，排斥外地企业一部分地方，实施地域限制搞地方保护主义。导致一些不符合投标资质施工队伍中为复杂，在具体落实方面的矛盾问题也在不断地加大，影招投标管理在我国实施时间较长，但是由于其环节较出现偏差均会引发较严重的风险问题，所以在实际工作中使招投标过程能够具备较强的通畅性。水利水电项目建设属于不断推进的过程，各环节的影响因素较为突出，因此需要根据风险防控机制，从风险预防和风险回避等不同角度提出有效的应对方案，减少在招投标管理工作中的风险理服务机构进行合作，充分考虑机构的实力以及工作人员综合素养等，之后再优选招标代理机构。为后续招投标工规范化和科学化。作的顺利实施提供重要保障，全面突出招投标工作本身的得平稳发展，在实际工作中要借助先进的信息技术科学利而使电子招投标能够为后续工程建设提供重要的支撑，多由于工程项目招投标环节较为复杂，如果在某个环境响招投标市场的稳定发展。因此在实际工作中需要工作人员加强对招投标管理工作问题的深入性分析，采取更加科多数招标人都未能正确认识到做好投标人合理选择必要学优化措施，从而使招投标管理工作能够更加顺利地进行。首先，在实际工作中存在着审查力度不足的问题，大性，在选择方法和手段方面存在着不合理的问题，粗放式的理念仍然存在。无论是在技术和资金方面没有进行严格的审查，太过注重标书中的内容，无法真正了解投标人的真实能力，会影响后续项目的顺利进行。在后续招投标管理工作中还存在着由于招标信息不准确而引发风险和盲目报价的问题，水利水电工程项目招投标程序和影响因素太如果在某个环节出现偏差，会导致各项信息存在着不系统2022年7月上 第13期 总第385期需要建立风险控制机制，防范在各个环节中的风险问题，问题[3]。招投标单位在启动招投标项目之前需要和招标代此外，为了推动招投标工作能够在市场经济背景下获过复杂，涉及有关工程规模以及工程质量等相关的内容，用电子招标系统，构建更加通畅的招投标流程和制度，从96