齿轮传动涡扇发动机低压转子动力学如何做优化设计？

一、ＧＴＦ发动机低压转子结构简介

ＧＴＦ发动机采用齿轮传动器将风扇转子与低压转子隔开，其中风扇转子为单盘转子，采用双排斜置滚子轴承支承。

低压转子为两支点支承的柔性转子，采用1－0－1支承方案，由传动齿轮箱功率输出轴、三级低压压气机、低压轴和三级涡轮组成，转子结构如图１所示。

齿轮箱的引入导致振动加大，因此将低压转子前支点的２号滚珠轴承置于低压压气机前段。

这样有利于加强低压压气机和齿轮箱功率输入轴连接处转子的局部刚性，有利于改善传动齿轮箱的工作条件。

支承低压涡轮后端的3号轴承为滚棒轴承，轴承座斜置可缩短低压轴的长度，以减小由于低压轴过长带来的轴的刚性问题。

受核心机尺寸的限制，低压轴细长，转子两支点跨度大，且转速显著提高。

同时，与常规大涵道比涡扇发动机低压压气机常采用的增压级设计相比，ＧＴＦ发动机低压压气机质量明显提高。

这些特殊的结构特点，都给其转子动力学设计带来了难度。

二、低压转子系统临界转速及应变能分析

（一）计算模型

本文采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ进行临界转速计算。对梁单元建立了低压转子模型，
用质量单元模拟各级叶盘，并用弹簧单元模拟轴承，如图２中所示。

（二）计算结果

由上述模型得到低压转子在不同转速下的固有频率，进一步绘制低压转子Campbell图，求得转子前三阶临界转速及应变能分布如表１所示，各阶振型如图３所示。

由计算结果可见，在低压转子最大工作转速以下，存在两阶临界转速，振型分别为低压涡轮俯仰及低压压气机俯仰。

转子通过前两阶临界转速时，集中在转子上的应变能分别为14.04%和20.98%，其中第二阶临界转速应变能大于20%，不利于转子的稳定工作。

在最大工作转速以上，存在一阶整体弯曲振型，转速裕度为19.43%，小于20%。

三、低压转子系统结构优化设计

根据上文分析得到的规律，遵循灵敏度最高的原则选取优化参数，对低压转子系统进行
优化设计，使低压转子的动力学特性达到最优。

（一）优化目标

根据上文对低压转子系统的动力学特性的计算分析，可以看出低压转子两支点高速柔性
转子系统的动力学设计有两个特点：

一是工作转速以下均有两阶临界转速；二是最大工作转速以上存在一阶弯曲型临界转速。
在发动机结构的动力学设计中，为确保发动机在整个转速范围内稳定工作，应保证工作
转速范围内的转子临界转速应变能不超过20%。

同时，对高于发动机工作转速范围的转子临界转速，至少有20%的转速裕度。
因此，对于低压转子通过前两阶临界转速时的应变能要求如下：
第一阶临界转速E≤20%，第二阶临界转速E≤20%。

（二）优化参数的选取

上文针对影响低压转子临界转速及应变能的主要参数，包括转子的支承刚度、截面尺寸及
转子支点跨距等进行了分析。

其中，转子支点跨距的增加有利于提高转子第三阶临界转速的裕度，但同时前两阶临界转速应变能增加，因此不能将转子跨距作为优化参数。

综合以上分析，选取转子的支承刚度及截面尺寸做为优化参数，通过不断迭代对转子系
统临界转速及应变能进行调整，达到使转子前两阶临界转速应变能最小，第三阶临界转速裕
度最大的目的。

（三）转子结构优化

根据设计目标，对低压转子进行结构优化设计。低压转子在原截面尺寸及支承刚度下，前两阶临界转速应变能分别为14.04和20.98%。

其中第二阶临界转速应变能偏大，不满足设计要求。第三阶弯曲型临界转速裕度（19.04%）偏小。

由以上分析可知，针对第三阶临界转速裕度偏小的问题，可以通过减小低压轴的截面面
积来提高第三阶临界转速裕度。

针对第二阶临界转速应变能偏大的问题，可以通过改变两支点的支承刚度来调整应变能分布。

四、结论

ＧＴＦ发动机低压转子为高速柔性转子，低压轴细长且两支点跨距大、低压压气机质量大，
这一结构为其转子动力学设计带来了较大困难。

本文针对ＧＴＦ发动机低压转子特殊的结构特点，分析了低压转子的支承刚度、低压轴截
面尺寸及支点跨距对转子动力学特性的影响。

得到了转子系统结构参数对其动力学特性的影响规律，可为齿轮传动涡扇发动机转子系统的动力学设计提供参考。

通过对支承刚度和转子截面尺寸的迭代计算，可以得到当低压轴外径降低为0.0842m。
并且两支点支承刚度取值分别为K2＝3.03×107N/m、K3＝1.85×107N/m时，转子系统在工作转速下存在两阶临界转速，转子上的应变能分布满足设计要求.

在转子最大工作转速以上存在一阶弯曲型临界转速，转速裕度满足设计要求，转子动力学特性最优。