航空发动机设计中处理转子临界转速的方法

weixin

对于采用单轴结构的航空发动机，压气机与涡轮转子转速相同，计算时，最好把压气机、涡轮转子、机匣壳体悬挂架等作为一个整体系统考虑。最终目的是保证发动机平稳工作，没有大的振动，并且传到飞机上的力很小。在研究转子的临界转速时，除了需要得到转子临界转速外，还需要求出挠度的变化曲线，以及由此引起的整个发动机的振动。

这样全面处理临界转速问题，是一项非常复杂的工作，因此为了简化工作，也可以从临界转速及挠度着手处理。通常设计时先按性能要求及强度等要求进行设计，如果为了满足这些要求，转子已经是刚轴，那就采用刚轴设计。如果刚轴有困难，或者因此使得发动机重量增加，此时可应用柔轴。应用柔轴时应同时考虑保证平稳通过临界转速的措施。

一、计算中对转子的简化处理

1. 轴承

一般转子的轴承可以看成是铰支的，当用滚棒轴承或一个支点采用多个轴承时，支点情况介于铰支和固接支点之间。为了计算简便起见，仍可按铰支点来处理，这时算得的临界转速较低。

2. 轴

截面变化不大的轴，可按等截面或多段等截面轴计算。当截面变化较大时要按变截面计算。轴上的小孔、键槽、螺纹等可不考虑。轴的质量也可不考虑，但当轴的相对重量较大，或者盘与支点的相对距离很小时就应考虑轴的质量。

3. 盘与轴的联接

盘轴联接刚性小，那么临界转速就较低。如果盘与轴由较大的联接宽度，并用紧度联接，则会增加轴的刚性。但在计算中很难计算这种联接刚性，所以一般不予考虑。

4. 混合式转子的处理

对于盘鼓混合式转子，可把鼓环当作轴来计算。由于鼓环的直径较大，鼓环的质量、转动惯性矩、剪切滑移的影响最好能够计入。当然这样会使计算复杂，考虑到这三个因素对临界转速的影响有一部分将互相抵消，因此为了计算简便，这些因素的影响可以不考虑。

对于盘轴混合式转子，鼓环也可按上述方法考虑，这样相当于增加了套轴，计算截面惯性矩时，轴与鼓环均应考虑。由于这种转子中鼓环较薄较轻，计算时也可以不考虑鼓环的影响。因为鼓环的存在使得转子刚性增加，临界转速提高，但转子重量也增加，使得临界转速下降，所以总的影响并不大。

对于悬臂支承的涡轮转子，计算表明鼓环的大小和考虑与否，对临界转速的影响不大，类似的试验也得到了同样的结果。

二、设计中对临界转速的调整

设计中当发现临界转速落在转子的工作范围内时，可以根据各种因素对临界转速的影响加以调整，使临界转速增加或者减小。

1. 尽量减轻转子（主要是轮盘部分）的重量，以提高临界转速。

可以通过选用密度较小的材料、改变结构方案、有时甚至修改一些重要设计参数，以改变叶片数目、形状等办法来实现。

2. 调整轮盘等的重心与支点之间的距离。

但应注意，涡轮转子的支点不应太靠近盘，以免轴承受热，影响轴承的工作和寿命。

3. 改变轴的壁厚、支点距离或采用大鼓轴。

增加壁厚和缩短支点距离对于提高转子临界转速效果有限，而采用大直径的鼓形轴对提高临界转速有显著效果，所以采用较多。应用鼓轴除了重量略有增加外，也给加工和装配带来一些困难。

4. 改变支承方案。

把悬臂式改为跨梁式，或者把双支点变为带弹性支承的方案。

5. 改变支座刚性。

在应用柔轴时，采取一个弹性支点（靠近盘的支点），给予一定的弹性，以使转子达到一定的临界转速，这样就可以不改变其他零件结构，而能获得所需要的临界转速。如果在弹性支座中采取一些结构限制挠度，或者给予一定的阻尼，就可获得所希望的转子挠度。所以应用柔轴时，采用这一方法较好。

来源：DyRoBeS微信公众号（ID：dyrobes），文章整理自航空发动机经典教材、图片及部分内容来源于网络。