西门子涡桨发动机低压模拟转子动力学特性研究.pdf
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航空科学技术
Aeronautical Science
&
Technology
Aug. 15 2017 Vol. 28 No.08 68-73
DOI
：
10.19452/j.issn1007
-
5453.2017.08.068
涡桨发动机低压模拟转子动力特性研究
邓旺群
1，2，*
，范潘潘
1，2
，徐友良
1，2
，袁胜
1，2
1. 中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002
2. 航空发动机振动技术航空科技重点实验室，湖南 株洲 412002
摘 要 ：
对某涡桨发动机低压模拟转子的动力特性进行了研究。基于梁单元的有限元法，建立了转子的分析模型，借助转
子动力学分析软件 SAMCEF/ROTOR 对转子的前三阶临界转速和振型进行了计算，并在高速旋转试验器上实现了全转速范围内
的动力特性试验。研究表明，在额定工作转速范围内，低压模拟转子有两阶临界转速，前两阶振型均为刚体振型，止口定
心传扭结构设计合理 , 在全转速范围内能够可靠工作 , 为同类转子的动力特性分析和试验提供了参考。
关键词 ：
涡桨发动机 ；低压模拟转子 ；止口定心传扭结构 ；有限元法 ；临界转速 ；振型
中图分类号：V231.96 文献标识码：A 文章编号：1007-5453（2017）08-0068-06
转子是航空发动机的重要构件，对航空发动机的安全
性、可靠性具有重要影响。现代先进航空发动机追求更高的
性能和更轻的重量，导致转子动力学问题日益突出。对中小
型航空发动机而言，高速转子动力学设计和试验技术已经
成为研制过程中必须解决的关键技术。近年来，国内外学者
对航空发动机高速转子动力学开展了大量研究。邓旺群
[1~4]
以某涡轴发动机超两阶弯曲临界转速工作的动力涡轮转子
为研究对象，对转子的动力特性、高速动平衡、细长柔性转子
高速动平衡方法、平衡在涡轴发动机整机减振中的作用等开
展了系统的理论和试验研究；邬国凡等
[5]
对某涡轴发动机
超第一阶弯曲临界转速燃气发生器转子的动力特性和平衡
平面的灵敏度进行了计算和分析；董超等
[6]
研究了某航空
发动机三支点低压转子系统在不对中故障情况下的振动特
性和影响规律；Seve 等
[7]
基于转子动力学理论，结合有限元
法和影响系数法研究了柔性变速转子的平衡；聂卫健
[8]
对
某小型涡扇发动机四支点低压模拟转子的动力特性进行了
系统的理论和试验研究；邓旺群等
[9]
针对某对转涡扇发动
机超三阶弯曲临界转速的低压转子开展了研究，揭示了转子
的前四阶临界转速随支承刚度和支承轴向位置的变化规律；
王勃等
[10]
研究了某小型涡扇发动机柔性转子的高速动平衡
技术。
涡桨发动机低压转子具有多盘、大长径比空心轴的结
构特点，并且第二级压气机盘与第一、三级压气机盘之间采
用了止口定心传扭的新结构，轮盘之间采用止口定心传扭结
构可以使转子结构紧凑、重量轻，但其设计是否合理、工作是
否安全可靠必须经过全转速的试验验证。本文以能很好地
反映发动机真实转子的结构和动力学特性的低压模拟转子
为研究对象，建立了有限元模型，完成了前三阶临界转速和
振型的计算，并在高速旋转试验器上完成了全转速范围内的
动力特性试验。研究表明，转子临界转速和止口定心传扭结
构设计合理，研究成果为同类转子的动力特性分析和试验提
供了参考。
1 计算模型和参数
1.1 计算模型
低压模拟转子主要由模拟压气机轮盘、模拟涡轮盘、低
压轴、中心拉杆等零部件组成，采用 1
-
1
-
1 三支点的支承方
式。其中，1 号和 3 号轴承均为滚棒轴承，2 号轴承为滚珠
收稿日期：2017-04-10； 退修日期：2017-06-16； 录用日期：2017-07-15
基金项目： 航空科学基金（20112108001，2013ZB08001）
* 通讯作者 . Tel.：0731-28593442 E-mail：hnzzdwq@163.com
引用格式： DENG Wangqun， FAN Panpan， XU Youliang，et al. Dynamic characteristics study of simulated low-pressure rotor
of turboprop engine[J]. Aeronautical Science & Technology， 2017， 28（08）：68-73. 邓旺群，范潘潘，徐友良，等 . 涡桨发
动机低压模拟转子动力特性研究 [J]. 航空科学技术， 2017， 28（08）： 68-73.
邓旺群 等：涡桨发动机低压模拟转子动力特性研究
69
轴承，1 号和 2 号轴承位置均有鼠笼式弹性支承和挤压油膜
阻尼器，3 号轴承位置有弹性环式弹性支承，第二级压气机
盘与第一、三级压气机盘之间采用止口定心传扭的新结构，
如图 1 所示。
A
B
图 1 止口定心传扭结构
Fig.1
Fixing structure for adjective-center and toque transmission
基于梁单元的有限元方法，借助大型转子动力学分析
软件 SAMCEF/ROTOR，建立了低压模拟转子的有限元分析
模型，如图 2 所示。模型共有 5 个集中质量单元、3 个轴承
单元、40 个刚性连接单元和 1217 个梁单元。
低压轴
模拟涡轮盘
模拟压气机轮盘
1
号轴承
2
号轴承
3
号轴承集中质量
图 2 低压模拟转子的有限元计算模型
Fig.2
Finite element calculation model of the simulated low-
pressure rotor
1.2 计算参数
（1）支承刚度
计算模型中共有 3 个支承，1 号 ~3 号支承的弹支刚度
实测值如表 1 所示。
表 1 支承刚度
Table 1 Supporting stiffness
支承刚度编号 1 号 2 号 3 号
实测值（E+7N/m） 2.5 6.1 0.5
（2）集中质量
为了便于网格划分，将结构复杂的压气机轮盘和涡轮
盘的部分结构简化为集中质量处理，集中质量特性如表 2
所示。
表 2 集中质量特性
Table 2 Concentrated masses characteristics
零件名称
质量 /
kg
极转动惯量 E
-
3
（kg
·
m
2
）
直径转动惯量
E
-
3（kg
·
m
2
）
第一级压气机盘
2.947 63.017 31.526
第二级压气机盘
1.490 35.906 17.959
第三级压气机盘
0.900 22.622 11.314
第四级压气机盘
0.837 22.913 11.459
涡轮盘
6.787 158.573 79.595
（3）转子主要零件的材料
低压模拟转子压气机轮盘、中心拉杆、空心轴和涡轮盘
的材料分别为钛合金、钛合金、高温合金和不锈钢。
2 计算结果及分析
利用 SAMCEF/ROTOR 分析软件计算了低压模拟转子
前三阶临界转速和振型。
2.1 临界转速计算结果及裕度
低压模拟转子前三阶临界转速的计算结果和裕度如表 3
所示。
表 3 临界转速计算结果和裕度
Table 3
Calculation results of critical speeds and abundant of
critical speeds
第一阶 第二阶 第三阶
临界转速 /（r/min）
4765 14145 26060
临界转速裕度 /%
>50 >45/30 >20
临界转速裕度定义如下：
临界转速裕度 =（| 慢车转速或额定工作转速
-
临界转
速 |/ 慢车转速或额定工作转速）×100％
低于慢车转速的第一阶临界转速，取慢车转速进行评
定，在慢车转速和额定工作转速之间的第二阶临界转速，取
慢车转速和额定工作转速分别进行评定，高于额定工作转速
的第三阶临界转速，取额定工作转速进行评定。
从表 3 可 知 ：（ 1）低压模拟转子运行至额定工作转速
时，需越过前两阶临界转速；（2）低压模拟转子前三阶临界
转速与慢车转速或额定工作转速的裕度均大于 20%，满 足
临界转速设计准则要求
[11]
。
2.2 振型计算结果
低压模拟转子的前三阶振型计算结果如图 3~ 图 5
所示。
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