薄壁转子结构动力学特性研究进展

　　 　　薄壁结构因低质量、高强度等结构特点，广泛运用于航空发动机和燃气轮机等旋转机械中。旋转机械运行过程中受到转子不平衡量和气动力等引起的激励作用，当激励频率与薄壁转子固有频率相同时，薄壁转子发生共振。为保障航空发动机和燃气轮机安全，提高可靠性，旋转薄壁壳体工作范围内必须避免共振。大量研究发现，转动引起的离心力，以及壳体变形速度矢量与转动速度矢量存在夹角引起的科氏力，使得薄壁转子具有独特的转子动力学特性。研究薄壁转子动力学特性为航空发动机和燃气轮机鼓筒式转子设计、故障诊断奠定了理论基础。 

　　轻型动力实验室研究人员采用有限单元法分析和试验验证的方法研究了薄壁转子动力学特性。针对旋转机械中的薄壁结构，研究人员将其简化为圆柱形薄壁壳体、锥形薄壁壳体及其耦合结构。薄壁转子动力学特性受薄壁结构物理特性、法兰等辅助结构以及轴承支撑条件等因素影响。为分析上述因素对薄壁转子动力学特性的影响，研究人员依次进行了单一圆柱形壳体模态实验、安装法兰后圆柱形薄壁壳体模态试验以及薄壁转子系统台架实验。 

　　图1和图2分别给出了单一圆柱形壳体模态实验响应频域分析结果和各阶模态，其中一阶的模态周向波数均为2，轴向半波数为0；二阶模态的周向波数为2，轴向半波数为1。安装法兰后圆柱形薄壁壳体模态实验响应频域分析结果如图3所示，与未安装法兰的圆柱形薄壁壳体动力学特性相比，安装法兰后圆柱形薄壁壳体的固有频率发生显著变化，但模态出现的顺序并未发生变化。 

　　在上述基础上进行薄壁转子转动实验。为保障转子试验可行性，薄壁壳体均需加装法兰结构，固定于轴承支撑系统，使用电机驱动。薄壁转子系统台架实验响应曲线如图4所示。台架试验结果揭示了薄壁转子系统边界条件显著增加了薄壁结构刚度，动力学特性发生显著变化。 

　　研究结果显示，薄壁结构几何参数决定了薄壁转子系统动力学特性，法兰等连接结构能显著影响薄壁结构动力学特性，相比之下，轴承支撑条件对薄壁转子系统动力学特性影响较小。薄壁结构动力学特性分析需充分考虑几何结构的影响，而轴承处支撑条件按刚性支撑处理即可。