航空发动机转子动特性试验台支承刚度问题

航空涡轮发动机是一种典型的高速旋转机械，转子的动力学特性研究是该领域的一个重要课题。许多专家学者云集于此，对其进行深入研究。除了应用各种工具软件进行数值计算以外，实验研究也是不可缺少的手段。这就需要转子动特性试验台，或称卧式转子试验台。今天我们来具体讨论一下这类试验台支承座的刚度问题。

1. 当前转子试验台的基本情况

实际中的转子试验台可以分这么三大类，第一类是教学型的模型转子试验台，它一般很小、很简单，一根细长轴支承在两个或两个以上的支座上，轴上穿几个圆盘，一台小电机带着它旋转，再装几个位移传感器测量轴的挠度。通常开设转子动力学课程的高校都配备这样的教学设备，用以演示转子动力学基本原理。

第二类是科研型的模拟转子试验台，由高校或科研机构针对具体发动机转子简化的模拟转子而搭建的试验台，用以研究该转子的动态特性。通常都会取一些重要的物理量来模拟真实转子，支承在刚性支承座上，由驱动装置驱动其旋转，配置一些振动加速度传感器、振动位移传感器和测速键相传感器，用以模拟真实转子的动态特性。

第三类是真实转子的试验台，国内几大发动机研究院所目前都已配备这样的试验台，而且基本上都是进口的。这样的试验台很复杂，带叶片的转子高速旋转就要配备真空舱，为了防止转子爆裂产生的危害真空舱就要达到D级安全防护能力，当然驱动系统、供油润滑系统、测试系统也要复杂得多，因此设备很庞大，造价很高。参见下图1。

图1 转子试验台

上述三类转子试验台都有一个共同的技术特征，转子的支承座都是刚性的。这就是我们关注这个问题的原因。

2. 转子动特性试验台的支承刚度问题

所谓发动机转子动特性问题，简单地讲，就是发动机转子在旋转状态下的横向振动问题。所谓特性就是系统的固有特性，主要是指各阶临界转速、振动形态，和阻尼特性等，参见下图2，系统的固有特性完全是由系统自身参数决定的，包括转子上各轮盘的质量、转动惯量及其在轴向位置、各轴段的弯曲刚度、阻尼器的刚度和阻尼系数，轴承的刚度与轴向位置，发动机转子是支承在承力框架和机匣上旋转的，系统参数当然也包括承力框架与机匣的刚度，这是我们在这里必须强调的一点。

图2 振动形态示意图

如果转子动特性试验台，这里指的是针对真实转子或模拟转子的试验台，其支承座的刚度问题未予以考虑，在其上做转子动特性试验就如同隔山打牛，难以呈现转子在工作支承条件下的动态特性，其意义就会大打折扣。

现实的情况是怎样的呢？如上面所述，即使在进口的、造价昂贵的、针对真实发动机转子的试验台上，支承座的刚度问题也未予以特别重视，配备的也都是刚性支承座，如下图3。有的进口的卧式转子试验台上另配有高速动平衡弹性摆架，但该摆架是用于滑动轴承转子高速动平衡的，完全不适用于航空发动机转子。

图3 刚性支承座

在刚性支承座上进行转子动特性试验，实际上是假设支承刚度无穷大，只考虑转子轴、滚动轴承和鼠笼弹性支架（如果有的话）的弹性，这与实际中发动机承力框架和机匣都是有限刚度的情况非常不符。这种试验台只适用于做其它类型的转子旋转试验，如强调试验等，做动特性试验难以取得理想的效果。

从另一方面看，在发动机转子动特性研究中，通常进行的数值模拟计算都是要考虑承力框架刚度的，如下图4。如果承力框架的刚度远大于滚动轴承刚度，将其视为刚度无穷大也未尝不可，但如果它与滚动轴承刚度在同一数量级，甚至还偏低，再将其视为无穷大就不合理了，对于这类发动机转子的动特性试验，就应当对支承座的刚度予以特别考虑了。

图4 承力框架模型示意图

3. 试验台怎样的支承刚度才比较理想

简单地讲，试验台的转子支承座刚度能模拟实际承力框架的刚度就是最好的；如果能反映承力框架的刚度特征就更好了；如果刚度能改变，能看一看它对转子动特性的影响，也是所希望的；如果制造成本能低一些，就会更受欢迎，毕竟每个型号发动机的承力框架都是不同的，甚至同一型号发动机的前后承力框架也是不同的，因此，从某种意义上讲，试验台支承座实际上更像一种试验工装，每试验一个型号的发动机转子就应配一套其刚度经过精心设计的支承座。

首先来看一下发动机承力框架的结构特征，如下图5。其径向刚度是由沿圆周均匀分布的几个径向支承板提供的，径向支承板在发动机中除有气体导流的作用外，在机械方面的主要作用就是支承转子，承受转子的静载荷与动载荷。其径向刚度的大小取决于支承板的几何尺寸和材料弹性模量。从结构特征看其径向刚度在圆周360°方向上都是相等的。