| 标题 | 基于模态试验的某型航空发动机转子连接刚度损失分析 |
| 范文 | 邱江 摘 要：本文首先从某型航空发动机转子自由状态下的模态试验出发，识别出该转子自由状态下的两阶自振频率及模态振型；接着结合传递矩阵建模，分析了该转子在前轴颈、轴流盘与离心叶轮之间的止口螺栓连接处存在的连接刚度损失，以及该刚度损失对系统自振频率及模态振型的影响，为后续该型航空发动机转子结构改进设计提供指导依据。 关键词：模态试验；连接结构；刚度损失 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.036 模态试验分析是采用某种激励方法使试验件产生振动响应，根据激励和响应，通过具有模态分析功能的仪器或信号处理系统，建立试验的传递函数或脉冲响应函数矩阵，用参数识别的方法识别出各阶模态参数。对航空发动机等复杂结构振动系统，用模态参数表征的数学模型，比用物理参数表征的运动方程更可靠地反应出系统的振动特性；因此在航空发动机结构特性分析中，模态试验分析得到了广泛应用。航空发动机转子系统由各级轮盘与其之间的连接轴组成，同时，为了加工装配的需要，通常会设计若干连接结构。而在高温高压、高转速大机动等极端条件下，转子连接结构的刚度损失不可避免。本文基于发动机转子自由模态试验，结合传递矩阵法开展仿真计算，对某型航空发动机转子的连接刚度损失进行分析。 1 试验件结构及模态试验 某型航空发动机转子系统由单级轴流+单级离心组合式压气机、单级燃气涡轮、前轴颈和高压涡轮轴等零件组成。其主要连接结构共有3处：（1）轴流盘与离心叶轮以及前轴颈通过止口定位，螺栓连接；（2）离心叶轮与高压涡轮轴通过止口定位，螺栓连接；（3）燃气涡轮与高压涡轮轴通过圆柱面定位，套齿连接。 采用锤击法对该型航空发动机转子系统进行自由状态下的模态锤击测试，先通过尼龙吊绳将转子悬吊，模拟自由-自由状态下的边界条件。再使用脉冲力锤对转子试验件进行锤击，选用ICP型加速度传感器在转子试验件上进行振动拾取，基于LMS.TEST.LAB模态试验分析系统，对所采集脉冲激振信号与响应信号进行FFT分析，识别出转子试验件两阶模态自振频率：655Hz、1098Hz，分别对应两阶弯曲振型如图1所示。由图1可知，转子的两阶振型均在圆圈圈出位置存在应变能集中，可能存在刚度损失，此位置即为前轴颈、轴流盘、离心叶轮的连接位置（1号连接结构）。 2 仿真计算与分析 传递矩阵法是一种用矩阵来描述多输入多输出的线性系统的输出与输入之间关系的手段和方法。该方法被广泛应用于转子系统的模态分析中。根据转子各零、组件的质量、刚度特性，将各级轮盘考虑为刚体单元，将轮盘之间的鼓筒轴考虑为无重弹性梁单元；再将单元矩阵进行相应组合，得到整个转子的传递矩阵模型，根据边界约束条件，可求解得到系统的自由频率及其相应的模态振型。在自由-自由边界条件下，对传递矩阵模型进行求解，得到转子系统的前两阶自振频率分别为：720Hz、1400Hz，两阶自振频率对应的模态振型如图2实线所示；同时为便于对比分析，在图2中用虚线描绘出了模态试验得到的实测振型。 由图2可知，仿真计算与实测振型大致吻合，錘击试验识别到的两阶模态正是转子自由状态下的前两阶弯曲模态。相比模态试验获得的自振频率，计算得到的转子两阶弯曲自振频率均高于实测值，分别高出10%、27%；同时，对应的模态振型也存在一定偏差，实测振型的转子应变能更加集中于图2中圆圈圈出位置（对应1号连接结构）。根据模态置信准则，图2中的前两阶模态振型置信度（即MAC值）分别为：0.91、0.87。 该型转子在1号连接结构处选用材料为不锈钢，其弹性模量为186GPa，考虑到在上述仿真计算中将此处设为刚性固连，并未考虑连接刚度损失，而通过图2的对比又反应出此处应变能较集中。为了更好地复合转子的模态振型，将此处材料的弹性模量减小至76GPa，以此模拟该处的连接刚度损失。此时计算得到转子系统的两阶自振频率分别为650Hz和1130Hz，与模态锤击试验实测得到的自振频率相比，计算偏差仅为0.7%、2.9%；同时对应的模态振型也更加吻合，置信度（MAC值）分别为：0.99、0.98。由上述计算分析可知，该航空发动机转子系统在1号连接处（前轴颈、轴流盘与离心叶轮之间的止口螺栓连接位置）应变能集中，存在连接刚度损失。通过降低该连接位置处材料的弹性模量以模拟连接刚度损失，计算得到的转子自振频率及模态振型与自由模态锤击试验实测结果十分吻合。 3 结论 本文从某型航空发动机转子系统自由状态下的模态试验出发，结合仿真计算，对转子前轴颈、轴流盘与离心叶轮之间的止口螺栓连接结构进行了分析。结果表明，无论仿真计算还是模态锤击试验，转子的前两阶自由模态在此连接结构处均存在连接刚度损失，后续应对该连接结构进行改进设计与优化。 参考文献： [1]航空发动机设计手册 第19册：转子动力学及整机振动[M].北京：航空工业出版社，2000. [2]芮莜亭.多体系统传递矩阵法及其应用[M].北京：科学出版社，2008. [3]谭祥军.从这里学NVH-噪声、振动、模态分析的入门与进阶[M].北京：机械工业出版社，2018. |
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