一、引  言

 

　　航空发动机动力学控制技术的主要目的，是通过对支承结构和质量分布的合理分配，保障发动机在全转速范围内无有害振动。然而，航空发动机结构复杂，其转子结构具有多支点（5个支点，支点同心度难以保证）、跨度大（1.9m，宽转速范围内很难实现刚性转子特性）、双转子（采用中介轴承）的特点。转子结构和机匣结构的连接面多且形式复杂，采用了套齿、螺栓、配合摩擦等连接形式，在装配过程中，大多数工艺参数难以测量，无法保证装配质量的重复性。航空发动机的工作环境复杂，工作温度范围大（环境温度～2000 ℃），导致结构工艺特征参数和结构特征参数的变化范围大，引起发动机结构振动具有非线性时变特性。同时，转静件间隙、支承刚度、同心度、不平衡量分布等动力学参数和气动流场气动力等，随发动机状态和温度场的变化而变化，造成各连接结构部件振动传递特性相差也较大。此外，对转子动力学特性要求更为严格，要求非临界区域转速范围宽（低压为3000～9000r/min，高压为7000～15000r/min）、转速范围内可在任意点停留。

 

　　考虑到航空发动机的结构复杂性和高温高转速的工作特性，未考虑上述连接结构的时变非线性因素的整机振动模型计算结果与实际测试结果相差较大，长期以来很难实现航空发动机动力学特性的精确评估，并很难对发生振动问题的航空发动机实行有效的整机振动控制。

 

　　为此，本文针对高性能航空发动机结构复杂性和高温高转速工况下动力学稳定性问题，指出目前航空发动机整机振动控制技术存在的问题，并提出了发展思路。
 

 

　　二、设计技术

 

　　在大型涡喷、涡扇发动机设计中，转子动力学特性设计的主要目的如下：

 

　　评估转子临界转速。对于大型发动机设计，要保证1阶弯曲临界转速高于最大工作转速并具有较大裕度，支承共振型临界转速避开常用工作转速，同时需要减小由转子残余不平衡带来的支承动载荷对所有相关零部件的影响。

 

　　确定临界转速调整相关的结构设计技术。解决初始方案临界转速不理想或其他因素要求结构改进设计时的动力学影响分析方法。

 

　　预估支承系统和机匣的振动特性。结合临界转速与挠曲变形的综合分析，保障发动机转静件间隙保持在合理的分布范围内。

 

　　评估转子不平衡响应敏感性。给出初步的不平衡敏感系数，通过调整转子不平衡修正量和位置，使发动机能够实现本机平衡的能力。

 

　　预示动力学特性不稳定的振动频率、限定值和相关发生的条件，确保发动机在整个飞行包线内不发生危险振动。

 

　　评估转静件相对动态位置关系，预估容易碰摩的截面、不平衡变化截面、支点不同心度和支承刚度变化支点对各振动监测点的振动响应特征，为发动机研制和使用过程中振动故障排除和结构修改提供重要的参考依据。

 

　　要达到上述目的，发动机整机和连接结构的动力学模型的有效性将是至关重要的，也对动力学计算提出更高要求。

 

　　1. 考虑整机结构系统的动力学设计

 

　　首先，目前航空发动机整机动力学设计主要集中于转子动力学设计，研究转子系统（或转子—支承系统）的临界转速问题、稳态不平衡响应等问题。某型发动机双转子转子临界转速计算结果如图1所示。由于未将转子- 支承- 机匣-安装系统作为整体进行考虑，不能满足对机动过载、支点同心度、转静件间隙等涉及整机结构特征的因素进行分析和研究，难以解决先进涡扇发动机高度耦合的整机系统振动特性（振动固有特性和响应特性）问题，也无法为构件和部件的耐久性试验提供整机振动环境参考。

　　图1 某型发动机双转子转子临界转速计算结果

 

　　其次，目前在发动机设计过程中开展的动力学分析主要进行线性系统的振动设计，而对于系统中固有的非线性因素都进行等效线性化处理，包括结合面连接刚度（不同连接结构刚度随载荷和定位面紧度变化规律如图2所示）、超大不平衡量、阻尼、挤压油膜阻尼器、碰磨等因素引起的非线性刚度和非线性阻尼。在此前的发动机设计过程中，这样的处理能够简化计算、提高效率，而且对于大多数设计来说具有可接受的工程精度。但随着先进发动机的发展，特别是高推比发动机的要求，结构上的非线性因素进一步增多，其影响也明显增大。由此，线性化处理对于部分大振幅带来的强非线性则明显不适应，只有对整机系统进行非线性振动问题研究，才可以更准确地把握振动特性的本质。

　　图2 不同连接结构刚度随载荷和定位面紧度变化规律
 

       再次，在发动机整机动力学设计中将结构特征参数均作为确定性参数考虑，没有考虑加工误差分布、装配工艺引起容差组合和工作状态下结构特征参数变化所带来的概率分布。比如，发动机中介轴承的动柔度问题，由结构公差组合、装配过盈范围和温度梯度带来的动柔度变化至少5倍以上。

 

　　为此，需针对先进涡扇发动机整机振动中存在的转静件耦合性、局部非线性和振动响应不确定性等问题，以发动机动力学整机结构系统为分析对象，在充分考虑航空发动机的结构特征、工作状态和装配工艺的前提下，发展和完善更为准确的、考虑结构特征参数（工艺特征参数和动力学特征参数）的参数化建模方法。利用建立的整机参数化模型进行结构振动分析，对典型的整机振动问题进行理论分析与数值模拟，研究整机振动响应特征与力学机理。考虑结构特征参数的分散性，建立和发展整机振动的概率分析的动力学设计方法。

 

　　2. 重点考虑支承和连接结构动柔度的动力学设计

       在航空发动机动力学设计过程中，动力学分析技术已经较为成熟，但影响分析精度的重点和难点为：缺少准确的支点和连接结构的动态柔度数据，使计算的转子临界转速误差过大，导致无法实现机械结构动力学设计的真实目的。动柔度指由单位振动载荷引起的变形，与振动频率和参与振动的质量有关。

 

　　实测支点静柔度并不困难，但要实测支点动柔度似乎不现实，而影响临界转速计算结果的是支点动柔度。因此，要提高发动机动力学设计精度，必须考虑影响支点柔度的诸多因素，并确定对动柔度影响较大的零件。RR公司的早期 （1974年） 报告称支点柔度为轴承柔度 （bearing flexibility） 或轴承支承柔度 （bearing support flexibility），相比之下后者的定义与动力学分析更为密切。但该报告中没有明确说明应该包括哪些零件的变形，如果必须包括轴承，则其动柔度测量将非常困难。因为，轴承游隙的存在无法施加交变载荷。而目前的动力学分析与试验经验表明，轴承工作状态的游隙并不会对临界转速的分析与测量产生明显影响。

 

　　在正常的柔度范围内，临界转速对支点柔度非常敏感，前轴承柔度与转速的关系曲线如图3所示。可以通过静子支承系统的动柔度试验测试结果，考虑工作状态的温度影响，假定在某一范围内选取几点柔度值计算出转子系统的临界转速，经过整机试车的振动测量结果加以验证。或者临界转速计算仅给出临界转速随支点柔度变化的关系，以便分析可能存在的问题。

 

　　连接结构动柔度是影响结构动力学特性的另外1个重要因素。国外自20世纪50年代起就执行了相关控制措施，包括采用控制预紧力的力矩（或转角）安装技术，及控制精度和摩擦性能的紧固件制造技术。此外，制定了较完善的针对螺栓连接结构安装力矩和预紧力的标准，建立了较完善的螺栓连接应用规范。

　　图3 前轴承柔度与转速的关系曲线

 

　　大量的技术研究成果的研究范围涉及到螺栓连接理论、预紧力控制、摩擦性能控制、防疲劳控制等诸多方面。典型的应用标准如波音的《螺栓和螺母的安装 （BAC5009M）》、NASA 的《NASA NSTS 08307 预紧力螺栓设计准则》、SAE 的《SAE1471A （2000年）》、俄罗斯的《OCT100017-1989》等。

 

　　RR公司与伦敦帝国理工大学经过长期合作，采用分析和试验手段，研究了界面连接刚度与界面加工精度、连接螺栓预紧力、螺栓孔所在的直径的关系，建立了模型数据库，通过整机振动试验和零部件试验修正整机模型。

 

　　装配预紧力是影响连接刚度的重要因素，而国内相关研究刚刚起步，对各种参数的影响关系仍存在较大困惑，包括螺栓预紧力是否合适（目前只是经验值）、如何保持均匀，螺栓最合适的变形值应如何控制，预紧顺序对连接刚度的影响，受力大小对机匣产生的影响，预紧力对静子同心度产生的影响等方面。由于缺少相关控制和研究，结果是发动机刚刚装配好或工作较短的时间后，发动机性能产生非常大的变化。初步分析认为这与螺栓等预紧力不确定存在较大关系。因此，预紧力在装配前、后的变化及其大小对同轴度的影响程度也是连接结构动柔度的重要研究内容。支点球轴承轴向和径向刚度随关键参数变化曲线如图4所示。

　　（a） 刚度随轴向游隙变化

　　（b） 刚度随径向载荷变化

　　（c） 刚度随径向游隙变化

 

　　图4 支点轴向和径向刚度随关键参数变化曲线

 

　　三、装配工艺控制技术

 

　　航空发动机装配工艺实施的目的是保证其机械系统在要求的工作时间段内安全、可靠地完成其机械设计的效能。为此，需根据发动机结构形式和工作环境提出能够保证完成其功能的装配工艺。即基于结构的工艺参数组合，考虑结构工作环境影响下的力学行为，保证结构特征参数和动力学参数（包括零件跳动、零件间配合关系、转静件间隙、同心度、不平衡量、连接和支承刚度等）满足动力学特性的设计要求。以合适的整机振动响应为目标来控制结构动力学参数的范围是装配工艺的直接目的，因此，装配工艺是保障发动机机械运行品质的关键技术基础。

 

　　1. 装配工艺控制结构特征参数技术分析

 

　　先进涡扇发动机结构中，各部件结合面表面加工精度、端面跳动、径向跳动、螺栓连接紧度等的工艺特征参数具有时变性和分散性的特点，从而导致动力学参数（包括转子的不平衡、支点不同心、连接与支承刚度）的时变性和分散性，直至引发整机振动的分散度较大。发动机振动排故实践经验表明，目前发动机振动大的主要原因是动力学参数变化区间难以控制，同时伴随着由结构稳定性引起的振动不稳定。为此，需理清影响发动机整机振动的主要参数内容，研究其控制技术。