航空发动机叶盘轴系统响应特性分析

马德宝，党鹏飞

（沈阳化工大学 机械与动力工程学院，110142，辽宁沈阳）

航空发动机是飞机的推进系统，它为机组的正常飞行提供动力，而叶盘轴系统是航空发动机的核心部件，当外部激振频率与系统的叶片的固有频率相同时，叶片将会发生共振[1]。一旦发生强烈共振，叶片很容易产生高周疲劳，发生失效断裂导致发动机的破坏，这严重影响发动机的安全性和可靠性，因此航空发动机叶盘轴系统的振动问题愈发得到重视[2]。传统上叶片振动设计主要考虑叶片自身、围带和拉筋等连接件的作用，以及轮盘对叶片的影响，而忽略轴系对叶片的影响。郑彤[3]等将叶片简化为柔性薄板，考虑了面外变形和面内变形以及变形耦合项，分析了航空发动机的叶盘耦合振动特性。徐自力[4]等针对多级叶盘转子结构，考虑多级叶片弯曲变形和轴扭转变形耦合作用，引入叶片离心刚化作用，求解出系统耦合模态，研究了叶盘固有频率、叶片长度、叶盘间距、叶片扭转角对振动特征的影响。

本文分别建立了不同轴径的叶盘轴系统有限元模型，然后进行了谐响应分析，研究了轴径对叶盘轴系统振动特性的影响，为叶盘轴系统转子试验器的优化设计提供依据。

1 叶盘轴系统建模

本文所研究的是航空涡轮发动机叶盘轴系统的响应特性，因此忽略了部分装配设计。其几何尺寸如下：轴半径r 为27.5 mm，轴长180 mm，叶片的厚度、宽度、长度分别为2 mm、25 mm、50 mm，轴与叶盘距离L为30 mm。为使得所建模型更加接近实际，材料选用密度为4 420 kg·m-3、杨氏模量为110.32 GPa、泊松比为0.31 的钛合金，并将18 个叶片倾角均设置为15°，通过SolidWorks 软件建立叶盘轴系统模型，如图1 所示。

图1 叶盘轴系统模型

2 不同轴径叶盘轴系统谐响应分析

将叶盘轴系统的轴半径分别设为27.5 mm、30 mm、32.5 mm 和35 mm，并在0～3 200 Hz 范围内激振力为9.8 N 的激励幅度下，对不同轴径的叶盘轴系统进行响应分析，不同轴径的叶盘轴系统响应幅值对比如图2 所示。

图2 不同轴径叶盘轴系统响应对比图

由图2 可以看出：频率在600 Hz 附近时，轴径为35 mm 时响应幅值最大，轴径30 mm 时响应幅值最小，是35 mm 时响应幅值的4.9%；频率范围在850～12 50 Hz 范围时，轴径30 mm 响应幅值为8.28×10-6mm，轴径为32.5 mm 的响应幅值为9.15×10-6mm；频率在2 750 Hz 附近时，轴径27.5 mm 响应幅值最高，轴径30 mm 响应幅值最低，是27.5 mm 响应幅值的6%。综合以上三个频率范围来看，轴径在22.5～35 mm时，30 mm 轴径的系统响应幅值相对较低。

3 结语

（1）建立了叶盘轴系统模型，综合分析了轴与叶盘的距离、轴径对系统振动特性的影响，为将来叶盘轴系统试验器的设计提供理论依据。

（2）轴径在22.5～35 mm 时，30 mm 轴径时系统的响应幅值相对较低。