CN101333965B - 一种微小型涡轮喷气发动机转子涡动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型涡轮喷气发动机转子涡动控制方法，主要是通过轴向预紧力或波形垫片压缩量、波形垫片刚度、转子转速、转子质量以及不平衡量信息在标量系统中利用能量相等原理，精确计算衰减涡动需要的库仑阻尼垫片厚度、数量以及安装形式，结合阻尼橡胶，对转子的阻尼进行调节并装配结构，从而精确控制发动机转子的涡动以达到微小型涡轮喷气发动机在较高转速下稳定工作的要求。其优点主要有：库伦阻尼计算精确，涡动衰减控制精确；采用的阻尼结构简单，质量轻且调节方便；适用范围广，针对微小型发动机不同形式的涡动以及各频率下的涡动均有效。

Description

一种微小型涡轮喷气发动机转子涡动控制方法

技术领域

本发明属于微小型发动机技术领域，涉及一种转子涡动控制方法，更特别涉及一种微小型涡轮喷气发动机转子涡动控制方法。

背景技术

在发动机工作过程中，转子的振动控制是整个发动机稳定运行的一个重要保障。转子涡动对整个发动机稳定运行的影响不容忽视，特别是对于最高转速达到80000～160000rpm的微小型高速转子，涡动的影响已经远远超过了其它因素对发动机稳定工作的影响，轻则会产生碰摩，重则会造成轴承烧坏或转轴疲劳变形。形成涡动的原因有很多，如转子不平衡量质量引起的离心力和弯矩、叶轮顶隙力、转轴与圆盘配合面的摩擦、转轴的材料内阻、轴承油膜力、间隙变化过程中轻微碰摩造成的冲击以及在高速运行中轴承内外圈接触点连线不过轴承滚珠中心产生陀螺力矩。传统处理振动的方法是在轴承座处增加高阻尼结构或加装挤压油膜阻尼器，而针对微小型涡轮喷气发动机转子，这些高阻尼装置增加了发动机的结构复杂性，有效载荷将会大大降低从而影响发动机的性能指标。

发明内容

为了避免发动机因转子涡动带来的损坏，加强发动机运转的稳定性，同时也为了简化结构，增加发动机有效载荷，本发明提供一种微小型涡轮喷气发动机转子涡动控制方法，该方法根据标量系统内的阻尼计算结果，在轴承外圈沿轴向布置若干不同厚度的平垫片以及波形垫片，沿径向布置阻尼橡胶的组合方式调整转子系统阻尼，使转子的涡动能量快速衰减以达到系统稳定的效果。

所述的微小型涡轮喷气发动机转子涡动控制方法，包括如下步骤：

步骤一、通过进行阻尼计算，确定平垫片的个数。

根据公式(1)计算转子系统涡动能量W_W，计算公式如下：

W_W＝t₃×mR×R×(0.4×2πn/60)²/2+t₄×W_Q                  (1)

其中，n为发动机转子转速，m为不平衡质量，R为不平衡质量半径，W_Q为气隙力造成的涡动功，t₃、t₄分别为调整参数，0.8＜t₃＜1.2，0.8＜t₄＜1.2。

测量轴承座套以及轴的对应两轴肩的长度，根据两长度之间的差值算出转子轴向的初始垫片压缩空间，再根据轴向预紧力要求得出波形垫片初始压缩量x，得出所需平垫片总厚度，利用如下公式计算垫片阻尼耗散功W_H：

$W_H=t_1\×\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i\left[K(x-a)\right]S_i+t_2\×W_D---\left(2\right)$

其中，f_i为摩擦系数，S_i为摩擦接触面积，W_D为阻尼橡胶耗散功，K为波形垫片静刚度，x为波形垫片初始压缩量，a为发动机运转时轴向位移量，t₁、t₂分别为调整参数，0.8＜t₁＜1.2，0.8＜t₂＜1.2，N为摩擦接触面个数。

在标量系统中根据垫片阻尼耗散功W_H与涡动能量W_W相等，即W_W＝W_H，计算出摩擦接触面个数N。单独一个平垫片会产生两个摩擦接触面，而两个平垫片相接触则会有三个摩擦接触面，由此确定平垫片个数。

针对最后确定的平垫片个数对应不同的摩擦系数，以此可以判断各垫片的安装次序。

步骤二、根据步骤一中的平垫片个数进行结构安装。

在本发明中，转子上阻尼的分配通过改变垫片以及阻尼橡胶的布置形式实现，按照步骤一中确定的安装次序对平垫片与波形垫片进行组合安装。

本发明的控制方法主要有以下一些优点：

(1)库伦阻尼计算精确，涡动衰减控制精确；

(2)采用的阻尼结构简单，质量轻且调节方便，在实现转子涡动精确控制而使发动机转子稳定的同时，能在较长时间内承受高负荷而不致产生蠕变或破坏，大大减轻了发动机重量，增加了有效载荷；

(3)适用范围广，针对微小型发动机不同形式的涡动以及各频率下的涡动均有效。

附图说明

图1是本发明涡动控制方法流程图；

图2是本发明转子静子支承示意图；

图3是本发明转子阻尼结构放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的微小型涡轮喷气发动机转子涡动控制方法进行详细说明；

本发明提供一种微小型涡轮喷气发动机转子涡动控制方法，主要是通过轴向预紧力或波形垫片压缩量、波形垫片刚度、转子转速、转子质量以及不平衡量信息在标量系统中利用能量相等原理，精确计算衰减涡动需要的库仑阻尼垫片厚度、数量以及安装形式，结合阻尼橡胶，对转子的阻尼进行调节并装配结构，从而精确控制发动机转子的涡动以达到微小型涡轮喷气发动机在较高转速下稳定工作的要求。该方法流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤一、通过进行阻尼计算，确定平垫片的个数。

根据公式(1)计算转子系统涡动能量W_W，计算公式如下：

W_W＝t₃×mR×R×(0.4×2πn/60)²/2+t₄×W_Q              (1)

其中，n为发动机转子转速，m为不平衡质量，R为不平衡质量半径，W_Q为气隙力造成的涡动功，t₃、t₄分别为调整参数，0.8＜t₃＜1.2，0.8＜t₄＜1.2。

测量轴承座套11以及轴12的对应两轴肩长度，算出转子轴向的初始垫片压缩空间，再根据轴向预紧力要求得出波形垫片初始压缩量x，得出平垫片总厚度，利用如下公式计算垫片阻尼耗散功W_H：

$W_H=t_1\×\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i\left[K(x-a)\right]S_i+t_2\×W_D---\left(2\right)$

其中，f_i为摩擦系数，S_i为摩擦接触面积，W_D为橡胶阻尼耗散功，K为波形垫片静刚度，x为波形垫片初始压缩量，a为发动机运转时轴向位移量，t₁、t₂分别为调整参数，并且有0.8＜t₁＜1.2，0.8＜t₂＜1.2，N为摩擦接触面个数。

在标量系统中根据阻尼耗散功W_H与涡动能量W_W相等，即W_W＝W_H，计算出摩擦接触面个数N。单独一个平垫片会产生两个摩擦接触面，而两个平垫片相接触则会有三个摩擦接触面，由此确定平垫片个数。

针对最后确定的平垫片个数对应不同的摩擦系数，以此可以判断各垫片的安装次序。

步骤二、根据步骤一中的平垫片个数进行结构安装。

在本发明中，转子上阻尼的分配通过改变垫片以及阻尼橡胶的布置形式实现，按照步骤一中确定的安装次序对平垫片与波形垫片进行组合安装。

实施例1

下面通过一个具体的实施例来说明本发明的微小型涡轮喷气发动机转子涡动控制方法，按照如下步骤进行：

步骤一、通过进行阻尼计算，确定平垫片的的个数。

根据公式(1)计算转子系统涡动能量W_W，计算公式如下：

W_W＝t₃×mR×R×(0.4×2πn/60)²/2+t₄×W_Q               (1)

其中，n＝1.2×10⁵rpm，m＝1×10^-4Kg，R＝1×10^-3m，W_Q＝3.5×10^-2J，t₃＝1，t₄＝1。

测量轴承座套11以及轴12的对应两轴肩长度，算出转子轴向的初始垫片压缩空间为5.34×10^-3m，再根据轴向预紧力要求得出波形垫片初始压缩量x＝1.3×10^-3m，得出平垫片总厚度为9×10^-4m，利用如下公式计算垫片阻尼耗散功W_H：

$W_H=t_1\×\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i\left[K(x-a)\right]S_i+t_2\×W_D$ (2)

$=t_1\×\left[K(x-a)\right][f_a{S}_a+f_b{S}_b+f_c{S}_c+f_d{S}_d(M-2)]+t_2\×W_D$

其中，f_a为平垫片与轴套间摩擦系数，f_b为平垫片与波行垫片间摩擦系数，f_c为平垫片与油环间摩擦系数，f_d为平垫片与平垫片间摩擦系数。f_a＝0.1，f_b＝0.08，f_c＝0.12，f_d＝0.14，S_a＝1.15×10^-4m²，S_c＝1.51×10^-4m²，S_d＝3.3×10^-4m²，W_D＝2×10^-2J，K＝1.15×10⁵N/m，a＝1.5×10^-4m，t₁＝1、t₂＝1，M为平垫片个数。

在标量系统中根据阻尼耗散功W_H与涡动能量W_W相等，即W_W＝W_H，得：

M＝4

本领域内公知地，单独一个平垫片会产生两个摩擦接触面积，而两个平垫片相接触则会有三个摩擦接触面，由此推断四个平垫片加上一个波形垫片，可以产生摩擦接触面的个数6个。再根据平垫片总厚度9×10^-4m，确定四个平垫片厚度分别为3×10^-4m、2×10^-4m、2×10^-4m、2×10^-4m。

针对四个平垫片一个波形垫片的情况，所述的六个摩擦接触面为：轴承座套11与平垫片间接触面一个、平垫片与波形垫片间接触面两个、平垫片与油环间接触面一个、平垫片与平垫片间接触面两个。因此安装次序可以采用两平垫加一波垫再加两平垫的形式。

所述的安装次序也可以是一个平垫加一个波形垫片垫再加三个平垫的次序；还可以是三个平垫加一个波形垫片再加一个平垫。

步骤二、根据步骤一中的平垫片个数进行结构安装。

在本发明中，转子上阻尼的分配通过改变垫片以及阻尼橡胶的布置形式实现，按照步骤一中确定的安装次序对平垫片与波形垫片进行组合安装。

以采用两平垫加一波垫再加两平垫的安装次序来具体的说明一种安装方式，参见附图1、图2，为：

首先将轴承座套11和后承力机匣13等静子件装配起，同时将涡轮14、后端螺母15、

后端高速角推力球轴承16以及轴12等转子件装配起，最后将转子件从轴承座套11中穿过使后端高速角推力球轴承16落位。

把第一阻尼平垫片1、第二阻尼平垫片2放入轴12和轴承座套11中间的空隙中，如图2所示，接着顺序放入波形垫片3、第三阻尼平垫片4、第四阻尼平垫片5、油环6。

将阻尼橡胶8装入轴承座套11对应槽中，再压入前端高速角推力球轴承7，然后装上离心叶轮10，最后利用限力扳手拧上前端螺母9。

对于安装次序为一个平垫加一个波形垫片垫再加三个平垫的次序、三个平垫加一个波形垫片再加一个平垫的次序，与实施例1具有相同的安装方式，只是安装的平垫片和波形垫片的次序不一样。

Claims (4)

1.一种涡轮喷气发动机转子涡动控制方法，其特征在于，

步骤一、通过进行阻尼计算，确定平垫片的个数：

根据公式(1)计算转子系统涡动能量W_W，计算公式如下：

W_W＝t₃×mR×R×(0.4×2πn/60)²/2+t₄×W_Q    (1)

其中，n为发动机转子转速，m为不平衡质量，R为不平衡质量半径，W_Q为气隙力造成的涡动功，t₃、t₄分别为调整参数，0.8＜t₃＜1.2，0.8＜t₄＜1.2；

测量轴承座套(11)以及轴(12)的对应两轴肩长度，算出转子轴向的初始垫片压缩空间，再根据轴向预紧力要求得出波形垫片初始压缩量x，得出平垫片总厚度，利用如下公式计算垫片阻尼耗散功W_H：

$W_H=t_1\×\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i\left[K(x-a)\right]S_i+t_2\×W_D---\left(2\right)$

其中，f_i为摩擦系数，S_i为摩擦接触面积，W_D为橡胶阻尼耗散功，K为波形垫片静刚度，x为波形垫片初始压缩量，a为发动机运转时轴向位移量，t₁、t₂分别为调整参数，并且有0.8＜t₁＜1.2，0.8＜t₂＜1.2，N为摩擦接触面个数；

在标量系统中根据阻尼耗散功W_H与涡动能量W_W相等，即W_W＝W_H，计算出摩擦接触面个数N；单独一个平垫片产生两个摩擦接触面，而两个平垫片相接触则有三个摩擦接触面，由此确定平垫片个数；

针对最后确定的平垫片个数对应不同的摩擦系数，以此判断各垫片的安装次序；

步骤二、根据步骤一中的平垫片个数进行结构安装。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮喷气发动机转子涡动控制方法，其特征在于：在结构安装中，阻尼的分配通过改变垫片以及阻尼橡胶的布置形式实现。

3.根据权利要求2所述的一种涡轮喷气发动机转子涡动控制方法，其特征在于：所述的布置形式为两平垫片加一波形垫片再加两平垫片，阻尼橡胶装入轴承座套对应槽中。

4.根据权利要求2所述的一种涡轮喷气发动机转子涡动控制方法，其特征在于：所述的布置形式为一个平垫片加一个波形垫片再加三个平垫片，阻尼橡胶装入轴承座套对应槽中；或者三个平垫片加一个波形垫片再加一个平垫片，阻尼橡胶装入轴承座套对应槽中。

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