关于复杂航空发动机高速转子的演变

小时候，我们玩陀螺的时候总是在想：“陀螺要是能一直旋转下去，该多好啊！”

陀螺转动速度越快，状态越稳定，甚至发生碰撞后，还能继续保持旋转状态。这是惯性的作用，旋转物体有维持其原有运动状态的属性。

陀螺力矩

当陀螺旋转轴线方向改变时，会产生一个反作用力矩——陀螺力矩。

陀螺力矩与转动物体的自转角速度、进动角速度以及其自身的转动惯量相关。类比地球绕太阳的运动，地球自转的同时绕太阳公转。“进动”可以理解为“公转”，是旋转轴线变化的运动。“进动”是一种物理现象，也就是陀螺在绕着自身中轴线旋转时，中轴线也在绕着垂直于地面的另一个轴线旋转。

当自转轴线与进动轴线存在夹角时，便会产生陀螺力矩。

在航空发动机中，空气从前部吸入后，经过压气机逐级增压，混合燃料充分燃烧，带动涡轮做功，从而产生推力，让飞机飞上蓝天。

在以往的双转子发动机中，基本上高压转子和低压转子两个转子的转向是一致的。但是在八、九十年代，设计人员逐渐开始将两个转子的转向做成相反方向。

转子高速旋转，转速可达到每分钟上万转，高压转子和低压转子同向旋转或者反向旋转（对转）意味着两个转子将存在不同的陀螺效应。

同向旋转还是反向旋转更好？

航空发动机内部高速旋转的转子在飞机内相当于一个“陀螺”，当飞机作高速机动时，航空发动机转子轴线发生改变，进而有一个大的反作用力矩通过承力结构件传递到飞机上，这会给飞机的机动性提升带来挑战。

对于同向旋转的双转子航空发动机，会叠加两个转子的陀螺力矩。而如果将高压转子与低压转子更改为相反方向，两个转子的陀螺力矩方向相反，对飞机的总力矩会抵消一些，这能有效降低飞机设计难度。这是同转与对转产生的主要区别之一。

▲双转子系统陀螺力矩示意图

转子也会变形么？

像跳绳一样，转子不是“硬邦邦”不变形的物体，旋转过程会出现挠曲变形，“甩”成一条绳。这时转子既存在自转运动，也有进动运动。当转轴与进动轴出现夹角时，同样会产生陀螺效应，影响转子自身的动力学特性。

▲转子挠曲变形及陀螺力矩示意图

对于双转子系统，在高压转子与低压转子之间布置轴承，会改变高低压转子的刚性，转子的变形会更复杂，从而导致陀螺效应的影响也更加错综复杂。设计时更需要综合平衡高低压转子转速对动力学特性的影响。

▲典型带中介支点的双转子涡扇发动机

航空发动机的研制是一个复杂的多学科设计过程，需要考虑强度、振动、气动、润滑、密封等方方面面，高低压转子同转与对转时陀螺效应的差异只是其国的影响因素之一，设计中的每一个细节都会“牵一发而动全身”，这就需要各个学科的专家一起攻克更多关键核心技术，共同铸就国之重器。

审核编辑：黄飞