高速转子动平衡的数值试验与分析

摘要

微型涡轮发动机在当今世界多领域内具有广阔的开发和应用前景。微型涡轮发动机尺寸小，重量轻，转速高，是一种具有高能量密度和高功率重量比的动力装置。 本课题研究的微型涡轮发动机转子工作在其两阶临界转速之上，属于挠性转子，但是因为其工作转速高达120000rpm，与一般的挠性转子不同。微尺度的特征对加工和装配精度提出极高的要求，同时也要求具有良好的振动特性，以保证微型涡轮发动机能够安全、稳定以及精确地运行。因此必须对该高速转子进行高速动平衡，由于转子的转速极高，给电机驱动、轴承支承、信号采集以及平衡品质评定带来很大的难度。在高速动平衡试验台架搭建困难而且缺乏高速动平衡经验的情况下，有必要利用有限元数值计算技术进行虚拟试验仿真，这将有助于对该涡轮发动机高速转子的转子动力学特性的了解以及研究动平衡具体实施技术方案。基于有限元软件MSC.Marc 对该高速转子进行三维结构建模，采用具有刚度与阻尼特性的弹簧模拟滚动轴承，选取合适的材料特性以及阻尼特性，对整个轴承—高速转子系统进行有限元物理建模。 首先计算高速转子静态下的固有振动频率及模态，然后计算转子在动态下的转子动力学特性，考察转子旋转情况下的应力与应变特性、接触特性以及动态下的固有振动特性，动态下的固有振动频率即动频。根据计算发现该转子的动频现象非常明显，而且得出结论认为当转速超过100Hz 以上时，动频因素将不能忽略。通过对该转子结构的具体分析，从其不平衡影响因素考虑估计该转子所有结构部件的最大可能不平衡分布，总结出14种不同的平衡工况。选取四平衡校正面与六振动测点，根据前两阶振型分别布置，采用影响系数法进行动平衡计算。根据拟定的虚拟动平衡数值试验进行不平衡工况计算以及动平衡计算，得出平衡方案能够满足动平衡要求。最后进行低速试验验证高速动平衡可行性分析，拟以真实的低速动平衡试验外推高速动平衡试验，并验证动平衡数值试验。