CN107817107A - 弹性支承结构和涡轮发动机转子试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性支承结构和涡轮发动机转子试验台，其中，涡轮发动机转子试验台包括：支撑座、用于支承转轴的支承件以及至少两个弹性支撑杆，支承件通过至少两个弹性支撑杆悬设在支撑座的一侧，通过改变弹性支撑杆的悬臂长度、数量和/或横截面积能够实现弹性支承结构的刚度可调。通过在支撑座上设置至少两个弹性支撑杆，支承件通过至少两个弹性支撑杆悬设在支撑座的一侧，弹性支承结构的刚度可调能够只需通过改变弹性支撑杆的悬臂长度、数量和/或横截面积来实现，方便快捷，易于实施。

Description

弹性支承结构和涡轮发动机转子试验台

技术领域

本发明涉及涡轮发动机技术领域，尤其涉及一种弹性支承结构和涡轮发动机转子试验台。

背景技术

现代航空发动机以及燃气轮机中通常需要设计挤压油膜阻尼器，以降低转子过临界转速时的振动、减少外传力，提高承力部件的寿命及转子***的稳定性。为保证挤压油膜阻尼器的正常工作，同时也为了调节转子-支承***的临界转速，在设置挤压油膜阻尼器的同时，通常还需设计弹性支承，弹性支承与加压油膜阻尼器配合使用，从而达到临界转速调节以及减振的目的。

挤压油膜阻尼器的阻尼、弹性支承的刚度必须仔细的匹配，才能达到减振、降载的目的，不恰当的组合不仅不能起到减振的作用，反而会加剧转子***的振动。由于挤压油膜阻尼器机理复杂，其结构参数(如间隙、宽度、端封)通常需要试验来验证；另外弹性支承的刚度也需要通过试验确定。常规的试验方法需要设计、加工多组不同刚度的弹支，以及多组不同结构参数的挤压油膜阻尼器，才能开展弹性支承-挤压油膜阻尼器-转子***振动响应验证试验，试验成本高、周期长，其主要原因在于，常规的弹性支承加工完成后其刚度就无法调节，挤压油膜阻尼器的结构调整也比较困难。

由于挤压油膜阻尼器机理复杂，而弹性支承刚度的选择与转子***本身的特性密切相关，且弹性支承刚度与挤压油膜阻尼器的阻尼要相互匹配，工程上弹性支承与挤压油膜阻尼器的设计通常需要通过转子-弹支-挤压油膜阻尼器***试验来进一步验证，如图1所示，转子-弹支-挤压油膜阻尼器***包括弹性支承a1、挤压油膜阻尼器a2、转子a3以及轴承座a4。在验证试验中，需要改变弹性支承刚度以及挤压油膜阻尼器的阻尼。常规的试验方法弹性支承刚度的调节是通过设计、制造多组不同刚度的弹性支承a1，图1和图2所示弹性支承为鼠笼式弹性支承，该类型的弹性支承结构一经确定刚度就无法调节；而且挤压油膜阻尼器a2阻尼的调节是通过加工多组不同结构参数阻尼器。试验中通过更换不同结构的弹性支承a1和挤压油膜阻尼器a2，才能实现弹支刚度及挤压油膜阻尼器阻尼的调节，费用高、周期长；且试验中需要多次分解、装配试验件，费时费力。

发明内容

为克服以上技术缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种弹性支承结构和涡轮发动机转子试验台，能够便于实现支撑刚度可调。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种弹性支承结构，用于对转轴进行弹性支承，其特征在于，包括：支撑座、用于支承转轴的支承件以及至少两个弹性支撑杆，支承件通过至少两个弹性支撑杆悬设在支撑座的一侧，通过改变弹性支撑杆的悬臂长度、数量和/或横截面积能够实现弹性支承结构的刚度可调。

进一步地，至少两个弹性支撑杆在相对于转轴的轴线的周向上呈等间距布置。

进一步地，至少两个弹性支撑杆的一端通过锁紧螺母或涨紧套与支撑座实现可拆卸的固定连接，另一端通过锁紧螺母或涨紧套与支承件实现可拆卸的固定连接。

进一步地，还包括挤压油膜阻尼器，挤压油膜阻尼器包括油膜外环、端封以及油膜内环，支承件包括油膜内环，在油膜内环上设有数个安装孔，弹性支撑杆能够***安装孔中以对油膜内环进行支撑固定。

进一步地，挤压油膜阻尼器的阻尼可调，挤压油膜阻尼器的阻尼可调能够通过更换不同内径尺寸的油膜外环、更换不同外径尺寸的油膜内环、改变端封的卡槽间距和/或更换不同结构的端封来实现。

进一步地，油膜内环具有在端封之外的延伸段，弹性支承结构还包括设置在延伸段的不同周向位置处的至少两个位移传感器，用于检测油膜内环与油膜外环之间的油膜间隙，以及油膜内环的径向位移。

进一步地，位移传感器的数量为两个且在同一横截面上呈垂直设置。

进一步地，延伸段位于油膜外环内，至少两个位移传感器通过穿入油膜外环设置在延伸段的不同周向位置处。

本发明还提供了一种涡轮发动机转子试验台，其包括上述的弹性支承结构。

进一步地，还包括转轴、轮盘以及安装涨紧套，轮盘通过安装涨紧套可拆卸地安装在转轴的不同位置上。

进一步地，安装涨紧套包括用于顶紧轮盘内环的外套筒、用于压紧转轴的内套筒、以及设置在外套筒和内套筒之间的拧紧锥套，拧紧锥套在深入外套筒和内套筒之间时能够形成楔形配合结构，以使外套筒向外扩张来顶紧轮盘的内环且使内套筒向内收缩来压紧转轴。

进一步地，安装涨紧套还包括设置在内套筒伸出端的限位螺母，通过转动限位螺母以推动拧紧锥套深入外套筒和内套筒之间，并对拧紧锥套进行限位。

进一步地，还包括对转轴的非驱动端进行限幅的限幅器。

由此，基于上述技术方案，本发明弹性支承结构通过在支撑座上设置至少两个弹性支撑杆，支承件通过至少两个弹性支撑杆悬设在支撑座的一侧，弹性支承结构的刚度可调能够只需通过改变弹性支撑杆的悬臂长度、数量和/或横截面积来实现，方便快捷，易于实施。本发明提供的涡轮发动机转子试验台相应地也具有上述有益效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有转子-弹支-挤压油膜阻尼器***的剖面结构示意图；

图2为现有弹性支承结构实施例的结构示意图；

图3为本发明弹性支承结构的整体***结构示意图；

图4为本发明弹性支承结构的一剖面结构示意图；

图5为本发明弹性支承结构一实施例的***结构示意图；

图6为本发明弹性支承结构一实施例的整体结构示意图；

图7为本发明弹性支承结构一实施例的剖面结构示意图；

图8为本发明弹性支承结构中挤压油膜阻尼器的***结构示意图；

图9为本发明弹性支承结构中挤压油膜阻尼器的部分剖面结构示意图；

图10为本发明弹性支承结构中挤压油膜阻尼器的另一剖面结构示意图；

图11为本发明涡轮发动机转子试验台的整体结构剖视图；

图12为本发明涡轮发动机转子试验台中安装涨紧套的结构剖视图；

图13为本发明涡轮发动机转子试验台中限幅器的结构剖视图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明的具体实施方式是为了便于对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的说明并不构成对本发明的限定。此外，下面的本发明的实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明弹性支承结构一个示意性的实施例中，结合图3～图11所示，弹性支承结构用于对转轴104进行弹性支承，其包括：支撑座202、用于支承转轴104的支承件以及至少两个弹性支撑杆203，支承件通过至少两个弹性支撑杆203悬设在支撑座202的一侧，通过改变弹性支撑杆203的悬臂长度、数量和/或横截面积能够实现弹性支承结构的刚度可调。

在该示意性的实施例中，弹性支承结构通过在支撑座202上设置至少两个弹性支撑杆203，支承件通过至少两个弹性支撑杆203悬设在支撑座202的一侧，至少两个弹性支撑杆203能够保证较好的支撑稳定性且防止支承件的固定部的转动，弹性支承结构的刚度可调能够通过如下方式来实现：

(1)改变弹性支撑杆203的悬臂长度：该调节方式无需多加工任何零件、只需要调整弹性支撑杆203相对于支撑座202的相对位置，然后将弹性支撑杆203的一端重新锁紧，该方法优点是可以获得某一刚度范围内的任意刚度；

(2)改变弹性支撑杆203的数目：根据刚度要求，增加或者减少弹性支撑杆203的个数，即可达到调整弹性支承刚度的目的。该方法可以获得几组固定的弹性支承刚度；

(3)改变弹性支撑杆203的横截面积：弹性支撑杆203设计为变圆形截面的形式，保持弹性支撑杆203两端安装部分的截面形状不变，改变弹性支撑杆203中间圆截面大小，再组合成为所要求刚度的弹性支承。当然弹性支撑杆203也可以设计成等截面结构，通过更换不同横截面积的弹性支撑杆来改变弹性支撑杆203的横截面积。

此外，还可将上述三种调整方法任选地组合使用，可以获得较宽刚度范围内任意刚度的弹性支承，可以以较小的成本用一组弹性支承组件来实现某一刚度范围内任意的支承刚度的调节，无需加工多套弹性支承试验件，极大的提高试验的灵活性。

弹性支承结构的刚度可分为静刚度、动刚度。静刚度表征弹性支承在单位静载荷抵抗变形的能力；动刚度表征弹性支承在不同激振频率的单位外载荷抵抗变形的能力。

静刚度的测量方法是：在支承件上悬挂一定质量的重物，即一定的静载荷F，采用位移传感器测量支承件的下沉量，即位移X，则弹支静刚度为：K＝F/X。静刚度的主要缺点是无法计入弹支及轴承惯性的影响。

动刚度的测量原理是：弹性支承可以简化为一个弹簧-质量***，其共振圆频率为：

从而可得到其刚度为：

K＝mω²＝m(2πF)² (b)

具体测量方法为：首先将支承件与转子支承轴承302装配在一起，并在支承件上安装加速度传感器301，然后用力锤敲击支承件，即给弹支施加一个激励，通过加速度传感器301可以测得支承件的响应，从而得到一条频率响应曲线，从频率响应曲线上可以得到弹性支承结构的共振频率F，再由公式(b)即可解算得到弹支刚度K。采用该方法测量的弹性支承结构的刚度能够计入弹性支承自身的质量以及轴承质量的影响，可以进一步提高转子-支承***的临界转速及振动响应分析的准确性。

对于弹性支撑杆203的设置位置，在一个优选的实施例中，至少两个弹性支撑杆203在相对于转轴104的轴线的周向上呈等间距布置，这样有利于提高对支承件的支承稳定性，避免支撑不均发生意外。

为了便于改变弹性支撑杆203的悬臂长度、数量和/或横截面积，在一个优选的实施例中，如图3～图5所示，至少两个弹性支撑杆203的一端通过锁紧螺母201或涨紧套与支撑座202实现可拆卸的固定连接，另一端通过锁紧螺母209或涨紧套与支承件205实现可拆卸的固定连接。使用涨紧套或锁紧螺母能够便于拆卸弹性支撑杆203且具有较高的固定稳定性，可实施性较高。

作为对上述实施例的进一步改进，结合图3～图10所示，弹性支承结构还包括挤压油膜阻尼器，挤压油膜阻尼器包括油膜外环206、端封208以及油膜内环205，支承件包括油膜内环205，在油膜内环205上设有数个安装孔，弹性支撑杆203能够***安装孔中以对油膜内环205进行支撑固定。该实施例的弹性支承结构形成组合式弹性支承-挤压油膜阻尼器，挤压油膜阻尼器中的油膜内环205作为支承件来对转轴104进行弹性支承。具体地，如图3所示，挤压油膜阻尼器包括组成基座的基座上半部207和基座下半部210，以及端盖204，油膜外环206通过基座上半部207和基座下半部210对其进行固定，端盖204用于压紧油膜外环206。

作为对上述实施例的优选，挤压油膜阻尼器的阻尼可调，挤压油膜阻尼器的阻尼可调能够通过更换不同内径尺寸的油膜外环206、更换不同外径尺寸的油膜内环205、改变端封208的卡槽间距和/或更换不同结构的端封204来实现。

挤压油膜阻尼器的阻尼主要取决于油膜间隙、油膜宽度、端封形式以及供油条件，要改变其阻尼，需要更换阻尼器的上述结构组件。常规的挤压油膜阻尼器的内环通常与弹性支承是一个整体，因此要调整挤压油膜阻尼器的阻尼必须更换弹性支承。采用组合式弹性支承-挤压油膜阻尼器时，只需更换部分组件即可。可以以较低的成本、较短的周期开展多种弹支刚度、挤压油膜阻尼器阻尼匹配的试验，提高弹性支承和挤压油膜阻尼器设计验证试验的效率，保证弹性支承和挤压油膜阻尼器设计的合理性。

挤压油膜阻尼器的阻尼可通过调整油膜厚度、宽度、端封等来调节，具体方法如下：

(1)油膜A厚度调节：更换不同内径尺寸的油膜外环206，或者更换不同外径尺寸的油膜内环205，其它组件保持不变，通过改变油膜外环206的内径尺寸或油膜内环205的外径尺寸，可以改变油膜A的厚度；

(2)油膜A宽度的调节：更换油膜内环205来改变端封卡槽的距离，可实现油膜宽度的调节，其它组件可保持不变；

(3)端封形式的调节：可设计不带端封、带端封的挤压油膜阻尼器，根据需要可设置活塞环端封、碟封等。以活塞环式端封为例，可以调整活塞环的开口大小，从而达到调节泄漏量以及油膜阻尼的目的。

还可以将上述调节方法任意地组合使用，从而可以获取较宽阻尼范围内不同的阻尼的挤压油膜阻尼器，可大大提高试验的灵活性。

挤压油膜阻尼器的油膜厚度是确定其阻尼的最主要的参数，且通常要求阻尼器内环相对外环的偏心率不能超过0.4。而由于油膜间隙较小，不恰当的安装、装配误差或者弹支在转子重力下的变形，会使得挤压油膜阻尼器内、外环产生相对偏心，严重时甚至会产生接触，影响SFD的正常工作；另外挤压油膜阻尼器通常在结构内部，装配完成之后难以检查油膜间隙。本发明在试验台中引入挤压油膜阻尼器油膜间隙即油膜内环轴心轨迹监测功能，能够在试验中实时获取油膜间隙以及轴心轨迹，为试验时判断挤压油膜阻尼器的工作状态、油膜动力特性分析提供有效的数据支撑。

为保证油膜间隙的测量不破坏油膜的完整性，油膜间隙的测量在油膜区之外。在一个优选的实施例中，如图9所示，油膜内环205具有在端封208之外的延伸段，弹性支承结构还包括设置在延伸段的不同周向位置处的至少两个位移传感器211，用于检测油膜内环205与油膜外环206之间的油膜间隙，以及油膜内环205的径向位移。油膜内环205与油膜外环206之间的油膜间隙即为油膜A的厚度。优选地，延伸段位于油膜外环206内，至少两个位移传感器211通过穿入油膜外环206设置在延伸段的不同周向位置处，在油膜外环206及基座上半部207对应位置分别设置测孔及传感器螺纹安装孔，位移传感器211安装在油膜外环的测孔处，至少两个位移传感器测得的位移的矢量和即为油膜内环偏心距和偏心相位。位移传感器211的周向安装如图10所示，在同一横向截面上，安装两个互相垂直的位移传感器211，由偏心距可以得到偏心率并可以判断油膜内外环是否发生接触，两个位移的合成便可以得到油膜内环的轴心轨迹。

本发明还提供了一种涡轮发动机转子试验台，其包括上述的弹性支承结构。由于本发明弹性支承结构能够便于实现支撑刚度可调，相应地，本发明涡轮发动机转子试验台也具有上述的有益技术效果，在此不再赘述。

具体地，如图11所示，涡轮发动机转子试验台包括-驱动电机101、柔性连轴器102、轴承及轴承座103、转轴104、轮盘105、组合式弹性支承-挤压油膜阻尼器106、平台107、轮盘108、限幅器109。驱动电机101通过柔性连轴器102与转轴104相连，并带动转轴104旋转；转轴104上装有轮盘105和轮盘108，轮盘105和轮盘108用于配重、动平衡及调节转子***临界转速，转轴104支承于轴承座103和组合式弹性支承-挤压油膜阻尼器106之上，轴承座103和组合式弹性支承-挤压油膜阻尼器106通过螺栓固定在平台107之上。

常规的转子试验台中，轮盘与转轴通常采用键槽的方式连接，轮盘在转轴上的相对位置是固定的，当需要调整轮盘位置时，必须重新加工新的转轴。为解决盘、轴位置调节的问题，涡轮发动机转子试验台还包括安装涨紧套，轮盘108通过安装涨紧套可拆卸地安装在转轴104的不同位置上。优选地，安装涨紧套包括用于顶紧轮盘108内环的外套筒401、用于压紧转轴104的内套筒403、以及设置在外套筒401和内套筒403之间的拧紧锥套402，拧紧锥套402在深入外套筒401和内套筒403之间时能够形成楔形配合结构，以使外套筒401向外扩张来顶紧轮盘108的内环且使内套筒403向内收缩来压紧转轴104。

具体地，如图12所示，外套筒401的内孔分为两段，一段为圆柱孔，另一段为锥形孔，外圆为圆柱面并在其上铣出均布的轴向沟槽以利于外套筒在受到挤压时产生膨胀，沟槽底部保留一定的径向厚度以保证外套筒为一个整体；拧紧锥套402内、外面上均设有圆柱段和锥形段，其圆柱内孔段设置有内螺纹，并设有拧紧螺母；内套筒403内套筒内孔为圆柱面，内圆柱面加工由均布的轴向沟槽以利于其受压时变形，沟槽底部保留一定的径向厚度以使得内套筒为一个整体，外圆分为两段，前段为圆柱面并加工有外螺纹，后端为圆锥段。

在安装过程中，首先，将整个涨紧套通过外套筒401安装于轮盘108的内孔之中，此时外套筒401的外圆柱面与轮盘108的内圆之间为间隙配合；然后，将转轴104从内套筒403内孔中穿过，两者之间同样为间隙配合；最后，将拧紧套筒402拧紧，拧紧套筒402相对内、外套筒产生轴向运动，通过圆锥面压紧内、外套筒；在拧紧锥套402的挤压下，外套筒401膨胀，从而与轮盘108压紧并形成过盈连接；内套筒403在拧紧锥套402的压缩下，产生紧缩，从而与转轴104紧密连接，达到过盈连接的效果。进一步地，安装涨紧套还包括设置在内套筒403伸出端的限位螺母，通过转动限位螺母以推动拧紧锥套402深入外套筒401和内套筒403之间，并对拧紧锥套402进行限位，限位螺母的设置有利于顶紧拧紧锥套402并进行限位，具有较高的可实施性。

为防止转子在运转时，由于振动超标或其它异常情况等导致的人员损伤或试验设备损坏，在上述实施例中，限幅器109优选地对转轴104的非驱动端进行限幅，如图13所示，限幅器109包括限位轴501承、限位轴承座上半部502以及限位轴承座下半部503。根据转轴104的外径，以及转子最大允许振动位移，选择限位轴承501的大小，正常运转时，转轴104与限位轴承501保持安全距离，不发生接触。限位轴承501安装在限位轴承座上半部502和限位轴承座下半部503之中，由限位轴承座实现轴向和径向定位，以提供足够的防护强度。

以上结合的实施例对于本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种弹性支承结构，用于对转轴(104)进行弹性支承，其特征在于，包括：支撑座(202)、用于支承所述转轴(104)的支承件以及至少两个弹性支撑杆(203)，所述支承件通过所述至少两个弹性支撑杆(203)悬设在所述支撑座(202)的一侧，通过改变所述弹性支撑杆(203)的悬臂长度、数量和/或横截面积能够实现所述弹性支承结构的刚度可调。

2.根据权利要求1所述的弹性支承结构，其特征在于，所述至少两个弹性支撑杆(203)在相对于所述转轴(104)的轴线的周向上呈等间距布置。

3.根据权利要求1所述的弹性支承结构，其特征在于，所述至少两个弹性支撑杆(203)的一端通过锁紧螺母或涨紧套与所述支撑座(202)实现可拆卸的固定连接，另一端通过锁紧螺母或涨紧套与所述支承件(205)实现可拆卸的固定连接。

4.根据权利要求1所述的弹性支承结构，其特征在于，还包括挤压油膜阻尼器，所述挤压油膜阻尼器包括油膜外环(206)、端封(208)以及油膜内环(205)，所述支承件包括所述油膜内环(205)，在所述油膜内环(205)上设有数个安装孔，所述弹性支撑杆(203)能够***所述安装孔中以对所述油膜内环(205)进行支撑固定。

5.根据权利要求4所述的弹性支承结构，其特征在于，所述挤压油膜阻尼器的阻尼可调，所述挤压油膜阻尼器的阻尼可调能够通过更换不同内径尺寸的所述油膜外环(206)、更换不同外径尺寸的所述油膜内环(205)、改变所述端封(208)的卡槽间距和/或更换不同结构的所述端封(208)来实现。

6.根据权利要求4所述的弹性支承结构，其特征在于，所述油膜内环(205)具有在所述端封(208)之外的延伸段，所述弹性支承结构还包括设置在所述延伸段的不同周向位置处的至少两个位移传感器(211)，用于检测所述油膜内环(205)与所述油膜外环(206)之间的油膜间隙，以及所述油膜内环(205)的径向位移。

7.根据权利要求6所述的弹性支承结构，其特征在于，所述位移传感器(211)的数量为两个且在同一横截面上呈垂直设置。

8.根据权利要求6所述的弹性支承结构，其特征在于，所述延伸段位于所述油膜外环(206)内，所述至少两个位移传感器(211)通过穿入所述油膜外环(206)设置在所述延伸段的不同周向位置处。

9.一种涡轮发动机转子试验台，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的弹性支承结构。

10.根据权利要求9所述的涡轮发动机转子试验台，其特征在于，还包括转轴(104)、轮盘(108)以及安装涨紧套，所述轮盘(108)通过所述安装涨紧套可拆卸地安装在所述转轴(104)的不同位置上。

11.根据权利要求10所述的涡轮发动机转子试验台，其特征在于，所述安装涨紧套包括用于顶紧所述轮盘(108)内环的外套筒(401)、用于压紧所述转轴(104)的内套筒(403)、以及设置在所述外套筒(401)和所述内套筒(403)之间的拧紧锥套(402)，所述拧紧锥套(402)在深入所述外套筒(401)和所述内套筒(403)之间时能够形成楔形配合结构，以使所述外套筒(401)向外扩张来顶紧所述轮盘(108)的内环且使所述内套筒(403)向内收缩来压紧所述转轴(104)。

12.根据权利要求11所述的涡轮发动机转子试验台，其特征在于，安装涨紧套还包括设置在所述内套筒(403)伸出端的限位螺母，通过转动所述限位螺母以推动所述拧紧锥套(402)深入所述外套筒(401)和所述内套筒(403)之间，并对所述拧紧锥套(402)进行限位。

13.根据权利要求9所述的涡轮发动机转子试验台，其特征在于，还包括对所述转轴(104)的非驱动端进行限幅的限幅器(109)。