CN113933041A - 一种支承刚度模拟转子试验装置及支撑组件验证方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于本申请属于飞机发动机试验领域，特别涉及一种支承刚度模拟转子试验装置支撑组件验证方法，其结构包括：转子(1)；底座(4)，轴承组件(2)，轴承组件(2)包括轴承(21)、轴承座(22)、安装在轴承(21)与轴承座(22)之间的弹性支撑组件(5)；能够依靠自身的弹性性能够较好模拟发动机在实验过程中的振动特性，针对不同支承刚度的转子，仅需更换弹性支承组件实现支承刚度模拟，具有很强的适用性和经济性。

Description

一种支承刚度模拟转子试验装置及支撑组件验证方法

技术领域

本申请属于飞机发动机试验领域，特别涉及一种支承刚度模拟转子试验装置。

背景技术

航空发动机是一种高温、高压、高速旋转的复杂热力机械，由上万个零件组成，结构紧凑、空间狭小，并且工作时温度变化剧烈、内流极其复杂，导致各结构件所处环境十分恶劣，对发动机的可靠性造成极大的影响，因而国内外都将航空发动机列为低寿命、高成本、易发生故障的一类机械。据统计，70％的可靠性方面故障都可以通过转子振动形式表现出来。但由于目前振动测试手段的局限性，无法直接对转子振动进行测量，都是在发动机机匣安装传感器进行测试，给振动信号分析与故障诊断带来困难。

英国发动机设计规范DEF STAN 00970 11部指出整机振动分析的设计分析不仅要立足于发动机整机动力模型，而且强调了在转子试验器进行模拟试验验证和修改分析模型的重要性。为提升航空发动机振动诊断的有效性，需要对典型的发动机转子进行动力特性试验研究。整机转子***结构复杂、工作载荷多变，难以开展动力学特性与测试方法的试验研究，因此在转子试验器上对典型发动机转子振动状况进行模拟是非常必要的。目前主要在刚性转子试验器上开展转子振动特性研究，但其支承刚性过强，明显高于发动机实际支承刚度，无法模拟真实发动机转子振动状态。

现有转子试验器主要采用刚性支承的方式，转子通过轴颈支撑在轴瓦上，转子运转时在轴颈与轴瓦之间形成油膜润滑，刚性支承刚度很大导致转子在试验器上临界转速很高甚至一阶临界转速处于工作范围之外的情况，无法使转子在试验器条件下有效模拟发动机条件下的振动特性。现有的转子试验器采用刚性联轴器传递扭矩，当试验转子轴与驱动电机输出轴对中不良时，转子会振动会明显加大，影响试验器运行。

现有的转子试验器振动问题比较突出，一旦工作状态出现问题，维修成本高、周期长，严重影响试验进程。

在旋转机械中，人们往往采用采用柔性支承来调节临界转速和减小结构振动。弹性环式减振结构是一种重要的柔性支承，具有结构简单、占用空间小、可靠性高、成本低等特点，能够有效减小转子共振时的振幅，使转子顺利通过临界转速，在旋转机械中得到了广泛的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种支承刚度模拟转子试验装置，其模拟待实验航空发动机的振动特性，其结构包括：

转子，包括第一端与第二端；

底座包括第一底座与第二底座；

轴承组件，包括：第一轴承组件与第二轴承组件，第一轴承组件安装在转子的第一端并架设在第一底座上；第二轴承组件，安装在转子的第二端并架设在第二底座上；

模拟涡轮轴，一端连接转子的第一端，另一端连接驱动轴；

轴承组件包括轴承、轴承座、安装在轴承与轴承座之间的弹性支撑组件；

弹性支撑组件包括：弹性环；套设在弹性环外侧的弹性环外衬套；套设在弹性环内侧的弹性环内衬套；弹性环内衬套的内侧接触轴承，弹性环外衬套外侧接触轴承座。

优选的是，驱动轴包括柔性驱动轴，所述柔性驱动轴为薄壁筒结构。

优选的是，弹性环内衬套的边缘具有轴向的凸台，轴承座的对应位置具有凹槽，所述凸台与所述凹槽配合限制弹性环内衬套的旋转。

优选的是，轴承包括第一轴承与第二轴承，第一轴承为深沟球轴承；第二轴承为滚棒轴承。

优选的是，第二轴承组件端部为具有螺旋密封铝套结构，所述螺旋密封铝套结构与第二轴承组件通过止口配合连接；第一轴承组件端部具有端盖压紧密封结构。

优选的是，弹性环内衬套的凸台个数为4～6，所述凸台沿弹性环内衬套周向均布。

优选的是，所述螺旋密封铝套结构与所述端盖压紧密封结构均设有喷油管安装孔，喷油管安装孔安装喷油管，喷油管安装孔与喷油管之间具有密封胶圈。

其中，对应有弹性支撑组件的刚度试验验证方法，

步骤S1：建立弹性支撑组件有限元模型；

步骤S2：预设弹性支撑组件有限元模型的载荷，提取弹性环内衬套外表面的平均位移和弹性环外衬套内表面的平均位移，将两者平均位移之差作为所述预设载荷作用下弹性环的变形量；

步骤S3：将所述预设载荷与所述变形量之比确定为弹性环的刚度。

弹性支撑组件的刚度试验验证方法，步骤S1中建立弹性支撑组件有限元模型，具体为建立弹性支撑组件二分之一的有限元模型。

本申请的优点包括：设计弹性支承结构模拟发动机工作状态下的支承刚度，使转子在试验器上具有发动机条件下相同的振动特性；

设计有效地润滑密封***，确保轴承运行安全；

降低转子试验器扭矩传递过程中由于转子不对中引起的振动；

确保试验器稳定运行，且具有良好的维护性。

附图说明

图1是本申请支承刚度模拟转子试验装置示意图；

图2是弹性支撑组件示意图；

图3是弹性支撑组件有限元模型示意图；

图4是弹性支撑组件刚度实验装置示意图；

图5是喷油管安装示意图；

其中，1-转子，2-轴承组件，2a-第一轴承组件，2b-第二轴承组件，21-轴承、21a-第一轴承,21b-第二轴承，22-轴承座，3-模拟涡轮轴，4-底座，4a-包括第一底座，4b-与第二底座，5-弹性支撑组件，51-弹性环，52-弹性环外衬套，53-弹性环内衬套，54-凸台，6-驱动轴，71-螺旋密封铝套结构，7-端盖压紧密封结构，8-喷油管，81-密封胶圈。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

针对上述提出的技术问题，以某型风扇转子为例，本发明设计了一种支承刚度模拟转子试验装置，主要包括转子驱动结构设计、弹性支承结构设计、轴承润滑与密封结构设计三部分，试验器结构示意图如图1所示，

其结构包括：

转子1，包括第一端11与第二端12；

底座4包括第一底座4a与第二底座4b；

轴承组件2，包括：第一轴承组件2a与第二轴承组件2b，第一轴承组件2a安装在转子1的第一端11并架设在第一底座4a上；第二轴承组件2b，安装在转子1的第二端12并架设在第二底座4b上；

模拟涡轮轴3，一端连接转子1的第一端11，另一端连接驱动轴6；

轴承组件2包括轴承21、轴承座22、安装在轴承21与轴承座22之间的弹性支撑组件5；

弹性支撑组件5包括：弹性环51；套设在弹性环51外侧的弹性环外衬套52；套设在弹性环51内侧的弹性环内衬套53；弹性环内衬套53的内侧接触轴承21，弹性环外衬套52外侧接触轴承座22。

转子1的支承结构包括底座、轴承座、弹性支撑组件5和轴承四部分。安装时，依次将轴承、弹性支撑组件5、轴承座安装在轴承上，采用锁紧螺母将轴承外环压紧，防止轴承沿轴向串动；弹性支撑组件5与锁紧螺母留有小间隙，避免轴向压紧力对支承刚度造成影响；而后将底座通过螺栓固定在平台导轨上，试验转子及轴承座以整体吊装的形式安装在底座上，最后通过底座上盖将轴承座压紧。

转子的支承刚度模拟主要通过弹性环组件实现，包括弹性环内衬套53，弹性环和弹性环外衬套53三部分，弹性支撑组件5及弹性环结构如图2所示。弹性环内衬套53上设计4个凸台，***轴承座上的凹槽之中，可有效保证弹性环组件不会沿周向发生转动。当需要调整转子的支承刚度时，只需要更换弹性支撑组件5即可，可以快速对转子支撑刚度进行调整，具有很好的互换性。

在发动机条件下，低压涡轮通过涡轮轴通过带动风扇旋转；试验条件下，设计模拟涡轮轴3，一端模拟低压涡轮轴局部结构，保证了风扇转子与涡轮轴的安装刚度；另一端与传动轴相连，为使转子安装留有轴向、径向串动量以及检测转子与设备传动轴的同轴度，在模拟涡轮轴与设备驱动端之间通过转接法兰及柔性驱动轴联接，柔性驱动轴设计为薄壁筒形结构，可以有效降低转子不对中引起的振动。

在一些可实施方案中，弹性环内衬套53的凸台54个数为4～6，所述凸台54沿弹性环内衬套53周向均布。

在一些可实施方案中，所述螺旋密封铝套结构71与所述端盖压紧密封结构7均设有喷油管安装孔，喷油管安装孔安装喷油管8，喷油管8安装孔与喷油管8之间具有密封胶圈81。

其中，对应有弹性支撑组件5的刚度试验验证方法，

步骤S1：建立弹性支撑组件5有限元模型；

步骤S2：预设弹性支撑组件5有限元模型的载荷，提取弹性环内衬套53外表面的平均位移和弹性环外衬套52内表面的平均位移，将两者平均位移之差作为所述预设载荷作用下弹性环51的变形量；

步骤S3：将所述预设载荷与所述变形量之比确定为弹性环51的刚度。

所述方法具体为：

为保证试验器条件下的转子1支承刚度，采用有限元法进行分析，通过调整弹性环51的结构参数，保证支承刚度与转子1的支承刚度相同。考虑到弹性环51受力变形具有对称性，为简化计算取二分之一模型进行分析，弹性支承结构的有限元模型如图3所示。

计算中分别提取弹性环内衬套53外表面的平均位移和弹性环外衬套52内表面节点的平均位移，将两者位移差作为F载荷作用下弹性环的变形量，载荷与此变形量之比确定为弹性环刚度。

为保证弹性支承结构符合设计要求，设计静刚度试验进行验证，弹性环静刚度试验装置如图4所示。

试验中将试验芯轴穿过弹性支承组件，芯轴两端以简支的形式固定在支承垫块上，径向载荷由加载块施加在弹性环外衬套52上；在弹性环内外衬套53上分别粘贴打表块，测量两个打表块的位移差即为弹性环51的径向变形量，径向载荷由测力计测量，径向载荷与打表块位移差之比即为弹性支承组件的实测刚度。

为有效模拟发动机条件下的转子振动特性，采用发动机原件轴承，第一端11为球轴承，第二端12为滚棒轴承。轴承通过试验器支点供、回油***进行润滑，供油位置、供油量及涉及喷油管的局部结构与发动机保持一致，试验轴上设计甩油孔，运行中润滑油在离心载荷作用下沿甩油孔进入轴承润滑；在支点轴承座底部设计回油孔，运行中润滑油依靠重力回油的方式返回油箱。

在一些可实施方案中，第二轴承组件2b端部为具有螺旋密封铝套结构71，所述螺旋密封铝套结构与第二轴承组件2b通过止口配合连接；第一轴承组件2a端部具有端盖压紧密封结构7，具体实施为：

因为试验器中转子处于真空环境下，无法实现发动机条件下的气体密封。第二端12前端轴头轴向尺寸较短，采用端盖压紧密封，第二端12后端采用螺旋密封铝套结构71；第一端11前端采用发动机原密封结构，第二端12后端采用螺旋密封铝套结构71；密封铝套与轴承座之间采用止口配合，通过螺钉固定在轴承座上。喷油管穿过密封铝套，通过螺母压紧，喷油管与密封铝套之间采用胶圈密封，如图5所示。

本发明针对典型发动机转子，设计了模拟发动机状态下支撑刚度的转子试验器，在试验器条件下对转子在发动机中的振动特性进行了有效模拟；目前由于测试手段限制，航空发动机试验中只能在机匣安装传感器测量转子振动，在本试验器上可直接对转子振动进行测试；可在此试验器上开展多种转子振动特性试验，如全转速范围内不平衡量的振动响应特征试验，盘轴连接状态对转子的动力学影响试验等；提出了基于有限元法的弹性支承结构设计方法，设计了弹性支承刚度测试装置；针对不同支承刚度的转子，仅需更换弹性支承组件实现支承刚度模拟，具有很强的适用性和经济性。

Claims (9)

1.一种支承刚度模拟转子试验装置，其模拟待实验航空发动机的振动特性，其结构包括：

转子(1)，包括第一端(11)与第二端(12)；

底座(4)包括第一底座(4a)与第二底座(4b)；

轴承组件(2)，包括：第一轴承组件(2a)与第二轴承组件(2b)，第一轴承组件(2a)安装在转子(1)的第一端(11)并架设在第一底座(4a)上；第二轴承组件(2b)，安装在转子(1)的第二端(12)并架设在第二底座(4b)上；

模拟涡轮轴(3)，一端连接转子(1)的第一端(11)，另一端连接驱动轴(6)；

其特征在于，轴承组件(2)包括轴承(21)、轴承座(22)、安装在轴承(21)与轴承座(22)之间的弹性支撑组件(5)；

弹性支撑组件(5)包括：弹性环(51)；套设在弹性环(51)外侧的弹性环外衬套(52)；套设在弹性环(51)内侧的弹性环内衬套(53)；弹性环内衬套(53)的内侧接触轴承(21)，弹性环外衬套(52)外侧接触轴承座(22)。

2.如权利要求1所述的支承刚度模拟转子试验装置，其特征在于，驱动轴(6)包括柔性驱动轴，所述柔性驱动轴为薄壁筒结构。

3.如权利要求1所述的支承刚度模拟转子试验装置，其特征在于，弹性环内衬套(53)的边缘具有轴向的凸台(54)，轴承座(22)的对应位置具有凹槽，所述凸台(54)与所述凹槽配合限制弹性环内衬套(53)的旋转。

4.如权利要求1所述的支承刚度模拟转子试验装置，其特征在于，轴承(21)包括第一轴承(21a)与第二轴承(21b)，第一轴承(21a)为深沟球轴承；第二轴承(21b)为滚棒轴承。

5.如权利要求1所述的支承刚度模拟转子试验装置，其特征在于，第二轴承组件(2b)端部为具有螺旋密封铝套结构(71)，所述螺旋密封铝套结构与第二轴承组件(2b)通过止口配合连接；第一轴承组件(2a)端部具有端盖压紧密封结构(7)。

6.如权利要求1所述的支承刚度模拟转子试验装置，其特征在于，弹性环内衬套(53)的凸台(54)个数为4～6，所述凸台(54)沿弹性环内衬套(53)周向均布。

7.如权利要求5所述的支承刚度模拟转子试验装置，其特征在于，所述螺旋密封铝套结构(71)与所述端盖压紧密封结构(7)均设有喷油管安装孔，喷油管安装孔安装喷油管(8)，喷油管(8)安装孔与喷油管(8)之间具有密封胶圈(81)。

8.一种弹性支撑组件的刚度试验验证方法，其特征在于，

步骤S1：建立弹性支撑组件(5)有限元模型；

步骤S2：预设弹性支撑组件(5)有限元模型的载荷，提取弹性环内衬套(53)外表面的平均位移和弹性环外衬套(52)内表面的平均位移，将两者平均位移之差作为所述预设载荷作用下弹性环(51)的变形量；

步骤S3：将所述预设载荷与所述变形量之比确定为弹性环(51)的刚度。

9.如权利要求8所述的弹性支撑组件的刚度试验验证方法，其特征在于，步骤S1中建立弹性支撑组件(5)有限元模型，具体为建立弹性支撑组件(5)二分之一的有限元模型。

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