CN106837426B - 一种发动机核心机转子质心偏心的优化方法 - Google Patents

一种发动机核心机转子质心偏心的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机核心机转子质心偏心的优化方法。所述发动机核心机转子质心偏心的优化方法包括以下步骤：步骤1：将核心机转子连接面形心偏心OC的最小值作为所述发动机核心机转子质心偏心的优化方法的优化目标；步骤2：建立核心机转子质心偏心预测优化数学模型；步骤3：求出篦齿盘拟合形心O偏离核心机转子实际旋转轴线OC最小时对应的θ值，依据该θ值进行高压涡轮转子和高压压气机转子角向旋转装配。本申请的发动机核心机转子质心偏心的优化方法在转子装配前，通过优化计算选择OC值最小时对应的角相位指导核心机转子组装，进而实现降低核心机转子质心偏心，减小核心机转子不平衡量，改善高压转子振动的目的。

Description

一种发动机核心机转子质心偏心的优化方法
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，特别是涉及一种发动机核心机转子质心偏心的优化方法。
背景技术
航空发动机核心机转子不平衡量是决定发动机转子振动响应的重要因素，而产生不平衡量的根本原因是各离散转子质心偏离了实际旋转轴线。某核心机转子由已平衡好的高压压气机转子(HPC)和高压涡轮转子(HPT)由自锁螺栓/螺母组装而成。经计算，当该核心机转子质心偏心为0.01mm，转速为12000r/min时，能产生约400kg的离心力，该数量级的离心力将打破转子的平衡状态，进而导致高压转子振动。
参照图1，理论上，平衡后高压压气机转子的质心分布在前轴颈拟合形心A和篦齿盘拟合形心O的连线AO上，平衡后高压涡轮转子的质心分布在篦齿盘拟合形心O和后轴颈拟合形心B的连线OB上。因此，在将高压压气机转子和高压涡轮转子装配成核心机转子的过程中，采取有效的工艺方法控制篦齿盘拟合形心O偏离实际旋转轴线AB的值OC尽可能小，可降低核心机转子质心偏心，降低转子不平衡量的大小，改善不平衡量的分布，并有效降低高压转子振动超限发生的频率。
针对该结构形式的核心机转子，现有核心机转子装配工艺主要有以下两种方案：(1)跳动抵消装配原则。即在带模拟转子平衡状态下，分别测量压气机转子和高涡转子相应柱面的跳动，将二者最高跳动点对调180°后组装转子。(2)不平衡量抵消装配原则。即两个转子分别进行平衡，最终将不平衡量测量相位对调180度后组装转子。采用以上两种方法装配完核心机转子后，均需采用专用测具测量OC的值(测具与静子机匣周向安装边固定，能模拟实际旋转轴AB)，并将此作为重要工艺参数进行控制，若OC超差，需通过将两高压转子分解-旋转相位-试装的方式进行再装配。
以上核心机转子装配工艺虽然可行，但对关键工艺参数OC值的可控性差，易造成传装过程中因OC复测超差引起的装配反复，且因核心机转子质心偏心过大导致的高压振动也时有发生，造成装配效率低，间接提高了发动机的制造成本，且存在工艺对机件已有结构的内在振动性能挖掘不到位等问题。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机核心机转子质心偏心的优化方法来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种发动机核心机转子质心偏心的优化方法，所述发动机核心机转子质心偏心的优化方法包括以下步骤：
步骤1：获取高压压气机转子和高压涡轮转子以任意旋转角相位θ装配后，后轴颈处的柱面偏心，进而求出BE的值；其中，BE为以前轴颈为基准的核心机转子后轴颈处的柱面偏心；
步骤2：在核心机转子装配前，保持高压压气机转子不动，单向旋转高压涡轮转子，且旋转的旋转角相位θ为360°/n的整数倍值，其中，n为连接面连接栓个数，逐一求出9级篦齿盘后止口柱面拟合形心O到前支点、后支点连线构成的实际旋转轴线AB距离OC，并将该OC的最小可能值作为所述发动机核心机转子质心偏心的优化方法的优化目标；
步骤3：建立核心机转子质心偏心预测优化数学模型；
步骤4：根据所述步骤3的核心机转子质心偏心预测优化数学模型求出9 级篦齿盘后止口柱面拟合形心O到前支点、后支点连线构成的实际旋转轴线AB距离OC最小时对应的旋转角相位θ值，依据该旋转角相位θ值进行高压涡轮转子和高压压气机转子角向旋转装配。
优选地，所述步骤1具体包括：
步骤11：获得前支点截面拟合形心A到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面D的轴向长度AD；
步骤12：获得支点截面拟合形心B到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面的轴向长度DE；
步骤13：测量高压压气机转子组件跳动参数；
步骤14：测量高压涡轮转子跳动参数；
步骤15：获取高压压气机转子组件与高压涡轮转子组件装配后核心机转子后轴颈处的综合偏心公式；
步骤16：以步骤11至步骤14获取的参数为输入，借助步骤15的综合偏心公式，计算得到高压压气机转子和高压涡轮转子以任意旋转角相位θ装配后，后轴颈处的柱面偏心。
优选地，所述步骤13具体为：在堆叠优化设备上，以高压压气机转子组件前轴颈上安装前支点轴承内环处的柱面和轴肩端面为基准，测量9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口的柱面偏心δcenter1和9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口的端面偏心δtlit。
优选地，所述步骤14具体为：在堆叠优化设备上，以高压涡轮转子组件鼓筒轴与9级篦齿盘配合止口对应的柱面S和端面T为基准，测量后轴颈上安装后支点轴承外环处的柱面偏心δcenter3。
优选地，所述步骤15中的综合偏心公式具体为：
Figure GDA0002277997600000031
其中，
δcenter为以核心机转子前轴颈为基准，后轴颈轴承支点的综合偏心；
δcenter2＝H*δtilt/(d/2)，δcenter2为δtilt对核心机后轴颈柱面偏心的影响；
H为高压涡轮转子组件鼓筒轴前端面到后轴颈轴承支点的轴向尺寸；
d为高压压气机九级篦齿盘后止口的配合柱面直径尺寸。
优选地，所述步骤16具体为：以δcenter1、δtlit和步骤14测得的δcenter3为输入，可通过计算得到压气机转子和高压涡轮转子以任意旋转角相位θ装配后，后轴颈处的柱面偏心。
优选地，所述步骤3中的核心机转子质心偏心预测优化数学模型为：其中，
CD：CD＝BE*AD/(AD+DE)根据△ACD与△ABE相似；
BE：以前轴颈为基准的核心机转子后后轴颈处的柱面偏心，可根据步骤 1的方法求得；
AD：前支点截面拟合形心A到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面D的轴向长度，可根据步骤11的方法求得；
DE：后支点截面拟合形心B到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面的轴向长度，可根据步骤12的方法求得；
θ为高压涡轮转子相对高压压气机转子旋转装配的旋转角相位。
本申请的发动机核心机转子质心偏心的优化方法在转子装配前，通过优化计算选择OC值最小的角相位指导核心机转子组装，间接实现降低核心机转子质心偏心，减小核心机转子不平衡量，改善高压转子振动的目的。
该方法实现了在装配前对核心机转子篦齿盘后止口拟合形心偏心进行优化，间接控制转子质心偏心，提高一次装配成功率，降低装配制造成本；
该方法能挖掘出现有机件内在振动性能的最大值，降低并改善高压转子振动；
随着该方法应用的成熟，工艺上可省略装配后复测，有效降低研制成本。
附图说明
图1是现有采用装配后复测技术的发动机核心机转子的结构示意图。
图2是本申请一实施例的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的流程示意图。
图3是图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的压气机转子组件跳动参数测量示意图。
图4是图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的高压涡轮转子组件跳动参数测量示意图。
图5是图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的转子不同心度叠加原理的示意图。
图6是图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的转子不同心度叠加原理的另一示意图。
图7是图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的核心机转子质心偏心预测优化数学模型的示意图。
附图标记：
1 高压压气机转子 6 后支点安装位置
2 高压涡轮转子 7 后轴颈
3 9级篦齿盘 8 高涡盘
4 前支点安装位置 9 鼓筒轴
5 前轴颈
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
图2是本申请一实施例的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的流程示意图。图3是图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的压气机转子组件跳动参数测量示意图。图4是图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的高压涡轮转子组件跳动参数测量示意图。图5是图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的转子不同心度叠加原理的示意图。图6是图 2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的转子不同心度叠加原理的另一示意图。图7是图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法的核心机转子质心偏心预测优化数学模型的示意图。
如图2所示的发动机核心机转子质心偏心的优化方法包括以下步骤：
步骤1：获取压气机转子和高压涡轮转子以任意旋转角相位θ装配后，后轴颈处的柱面偏心，进而求出BE的值；其中，BE为以前轴颈为基准的核心机转子后轴颈处的柱面偏心；
步骤2：在核心机转子装配前，保持压气机转子不动，单向旋转高压涡轮转子，且旋转的旋转角相位θ为360°/n的整数倍值，其中，n为连接面连接栓个数，逐一求出9级篦齿盘后止口柱面拟合形心O到前支点、后支点连线构成的实际旋转轴线AB距离OC，并将该OC的最小可能值作为所述发动机核心机转子质心偏心的优化方法的优化目标；
步骤3：建立核心机转子质心偏心预测优化数学模型；
步骤4：根据所述步骤3的核心机转子质心偏心预测优化数学模型求出9 级篦齿盘后止口柱面拟合形心O到前支点、后支点连线构成的实际旋转轴线AB距离OC最小时对应的旋转角相位θ值，依据该旋转角相位θ值进行高压涡轮转子和高压压气机转子角向旋转装配。
在本实施例中，步骤1具体包括：步骤11：获得前支点截面拟合形心A到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口D对应端面的轴向长度AD；具体地，可以通过查看设计提供的高压压气机转子组件图，查录前支点截面拟合形心A到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面的轴向长度AD。
步骤12：获得后支点截面拟合形心B到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面的轴向长度DE；可以通过查看设计提供的高压涡轮转子组件图，查录后支点截面拟合形心B到9级篦齿盘与鼓筒轴配合止口对应端面的轴向长度DE。
步骤13：测量高压压气机转子组件跳动参数；参照图3，在堆叠优化设备上，以高压压气机转子组件前轴颈上安装前支点轴承内环处的柱面和轴肩端面为基准(对应基准轴为图3的AD和图7的AE)，测量9级篦齿盘与鼓筒轴配合止口的柱面偏心δcenter1和端面偏心δtlit。
步骤14：测量高压涡轮转子跳动参数；参照图4，在堆叠优化设备上，以高压涡轮转子组件鼓筒轴与9级篦齿盘配合止口对应的柱面S和端面T为基准(对应基准轴为图4中的MN，其与图6中的DE平行)，测量后轴颈上安装后支点轴承外环处的柱面偏心δcenter3。
步骤15：获取综合偏心公式；参照图5及图6，第一部分part1的偏心δcenter1对第二部分part2偏心的影响大小为δcenter1，角相位一致；根据三角形相似，第一部分part1的端面偏心δtilt对第二部分part2偏心的影响大小为δcenter2＝H*δtilt/(d/2)，角相位偏置180□；而零件2的偏心δcenter3对自身偏心影响的大小和相位均不变。
步骤16：以步骤11至步骤15获取的参数为输入，通过计算得到压气机转子和高压涡轮转子以任意旋转角相位θ装配后，后轴颈处的柱面偏心。
在本实施例中，所述步骤3具体为：在堆叠优化设备上，以高压压气机转子组件前轴颈上安装前支点轴承内环处的柱面S和轴肩端面T为基准，测量9级篦齿盘与鼓筒轴配合止口的柱面偏心δcenter1和9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口的端面偏心δtlit。
在本实施例中，所述步骤14具体为：在堆叠优化设备上，以高压涡轮转子组件鼓筒轴与9级篦齿盘配合止口对应的柱面S和端面T为基准，测量后轴颈上安装后支点轴承外环处的柱面偏心δcenter3。
在本实施例中，所述步骤15中的综合偏心公式具体为：
其中，
δcenter为以核心机转子前轴颈为基准，后轴颈轴承支点的综合偏心；
δcenter2＝H*δtilt/(d/2)，δcenter2为δtilt对核心机后轴颈柱面偏心的影响；
H为高压涡轮转子组件鼓筒轴前端面到后轴颈轴承支点的轴向尺寸；
d为高压压气机九级篦齿盘后止口的配合柱面直径尺寸。
在本实施例中，所述步骤16具体为：以δcenter1、δtlit和步骤14测得的δcenter3为输入，可通过计算得到压气机转子和高压涡轮转子以任意旋转角相位θ装配后，后轴颈处的柱面偏心。
参见图7，在本实施例中，所步骤3中的核心机转子质心偏心预测优化数学模型为：
Figure GDA0002277997600000081
其中，
CD：CD＝BE*AD/(AD+DE)根据△ACD与△ABE相似；
BE：以前轴颈为基准的核心机转子后轴颈处的柱面偏心，可根据步骤1 的方法求得；
AD：前支点截面拟合形心A到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面D的轴向长度，可根据步骤11的方法求得；
DE：后支点截面拟合形心B到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面的轴向长度，可根据步骤12的方法求得；
θ为高压涡轮转子相对高压压气机转子旋转装配的旋转角相位。
本申请的发动机核心机转子质心偏心的优化方法在转子装配前，通过优化计算选择OC值最小的角相位指导核心机转子组装，间接实现降低核心机转子质心偏心，减小核心机转子不平衡量，改善高压转子振动的目的。
该方法实现了在装配前对核心机转子篦齿盘后止口拟合形心偏心进行优化，间接控制转子质心偏心，提高一次装配成功率，降低装配制造成本；
该方法能挖掘出现有机件内在振动性能的最大值，降低并改善高压转子振动；
随着该方法应用的成熟，工艺上可省略装配后复测，有效降低研制成本。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种发动机核心机转子质心偏心的优化方法，其特征在于，所述发动机核心机转子质心偏心的优化方法包括以下步骤：
步骤1：获取高压压气机转子和高压涡轮转子以任意旋转角相位θ装配后，后轴颈处的柱面偏心，进而求出BE的值；其中，BE为以前轴颈为基准的核心机转子后轴颈处的柱面偏心；
步骤2：在核心机转子装配前，保持高压压气机转子不动，单向旋转高压涡轮转子，且旋转的旋转角相位θ为360°/n的整数倍值，其中，n为连接面连接栓个数，逐一求出高压压气机转子的9级篦齿盘后止口柱面拟合形心O到前支点、后支点连线构成的实际旋转轴线AB距离OC，并将该OC的最小可能值作为所述发动机核心机转子质心偏心的优化方法的优化目标；
步骤3：建立核心机转子质心偏心预测优化数学模型；
步骤4：根据所述步骤3的核心机转子质心偏心预测优化数学模型求出9级篦齿盘后止口柱面拟合形心O到前支点、后支点连线构成的实际旋转轴线AB距离OC最小时对应的旋转角相位θ值，依据该旋转角相位θ值进行高压涡轮转子和高压压气机转子角向旋转装配；
所述步骤1具体包括：
步骤11：获得前支点截面拟合形心A到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面D的轴向长度AD；
步骤12：获得后支点截面拟合形心B到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面的轴向长度DE；
步骤13：测量高压压气机转子组件跳动参数；
步骤14：测量高压涡轮转子跳动参数；
步骤15：获取高压压气机转子组件与高压涡轮转子组件装配后核心机转子后轴颈处的综合偏心公式；
步骤16：以步骤11至步骤14获取的参数为输入，借助步骤15的综合偏心公式，计算得到高压压气机转子和高压涡轮转子以任意旋转角相位θ装配后，后轴颈处的柱面偏心。
2.如权利要求1所述的发动机核心机转子质心偏心的优化方法，其特征在于，所述步骤13具体为：在堆叠优化设备上，以高压压气机转子组件前轴颈上安装前支点轴承内环处的柱面和轴肩端面为基准，测量9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口的柱面偏心δcenter1和9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口的端面偏心δtlit。
3.如权利要求2所述的发动机核心机转子质心偏心的优化方法，其特征在于，所述步骤14具体为：在堆叠优化设备上，以高压涡轮转子组件鼓筒轴与9级篦齿盘配合止口对应的柱面S和端面T为基准，测量后轴颈上安装后支点轴承外环处的柱面偏心δcenter3。
4.如权利要求3所述的发动机核心机转子质心偏心的优化方法，其特征在于，所述步骤15中的综合偏心公式具体为：
Figure FDA0002277997590000021
其中，δcenter为以核心机转子前轴颈为基准，后轴颈轴承支点的综合偏心；
δcenter2＝H*δtilt/(d/2)，δcenter2为δtilt对核心机后轴颈柱面偏心的影响；
H为高压涡轮转子组件鼓筒轴前端面到后轴颈轴承支点的轴向尺寸；
d为高压压气机九级篦齿盘后止口的配合柱面直径尺寸。
5.如权利要求4所述的发动机核心机转子质心偏心的优化方法，其特征在于，所述步骤16具体为：以δcenter1、δtlit和δcenter3为输入，可通过计算得到高压压气机转子和高压涡轮转子以任意旋转角相位θ装配后，后轴颈处的柱面偏心。
6.如权利要求1所述的发动机核心机转子质心偏心的优化方法，其特征在于，所述步骤3中的核心机转子质心偏心预测优化数学模型为：
Figure FDA0002277997590000031
其中，
CD：CD＝BE*AD/(AD+DE)根据△ACD与△ABE相似；
BE：以前轴颈为基准的核心机转子后轴颈处的柱面偏心，可根据步骤1的方法求得；
AD：前支点截面拟合形心A到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面D的轴向长度，可根据步骤11的方法求得；
DE：后支点截面拟合形心B到9级篦齿盘与高压涡轮转子组件鼓筒轴配合止口对应端面的轴向长度，可根据步骤12的方法求得；
θ为高压涡轮转子相对高压压气机转子旋转装配的旋转角相位。
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