CN103308313B - 基础运动航空发动机双转子系统模型实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基础运动航空发动机双转子系统模型实验台，包括基础转台底座、可同步转动的传动轴A和B以及基础转台；还包括内外双转子系统，其主要包括内转子、外转子、内转子低压压气机转盘及低压涡轮转盘、外转子高压压气机转盘及高压涡轮转盘、3个轴承座（A、B、C）、与基础转台连接固定的转子系统底座；内转子穿过外转子支承与轴承座A和B上，轴承座A为阻尼可调支承座，轴承座B为弹性支承座；外转子的一端通过该滚珠轴承支承于内转子上，另一端支承在轴承座C上，轴承座C为弹性支承座；内外转子上均设置有红外光学式传感器和电涡流传感器，用来测试系统振动信号。本发明可有效模拟实际工况中航空发动机双转子系统的动力学实验。

Description

基础运动航空发动机双转子系统模型实验台

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，特别是涉及一种由提供基础运动的两轴基础转台与航空发动机双转子模型实验台组成的综合型动力学实验装置。

背景技术

目前科研机构采用的转子系统动力学实验装置大多数为单跨度或多跨度（串联式和平行式）的单转子动力学实验台，少数为双转子实验装置，所有的转子动力学实验台均没有考虑基础运动的因素，采用此类实验装置进行动力学实验，必然不能反映航空发动机在机动飞行条件下高低压双转子系统的动力学真实情况。

对于任何一种旋转机械的动力学实验装置而言，必须尽量满足结构相似、运动学相似和动力学相似的原则。为了更真实地开展航空发动机转子系统的动力学特性实验，针对基础运动的航空发动机高低压双转子系统的结构特点，有必要设计制造一种能够真实反映其动力学特性的实验装置。

发明内容

在航空发动机的高低压双转子系统动力学研究中，为了克服现有转子系统实验装置功能单一和不能有效模拟实际转子系统的缺点，本发明提供了一种基础运动航空发动机双转子系统模型实验台，本发明可有效模拟实际工况中航空发动机高低压双转子系统的动力学实验。

本发明满足“三相似”原则：在结构上，可以模拟航空发动机高低压双转子系统，并且转子系统安装在能够进行两自由度转动的基础上，这样就最大程度地弥补了由于结构形式不同而引起的实验失真问题；在运动学方面，内外转子可模拟实际航空发动机低压、高压转子同向、反向转动，基础转台能够模拟飞行器机动飞行时的姿态变换过程，提供转子系统基础的匀速、匀加速、正弦运动，从而进行单姿态或组合姿态的变化，在转子系统运动以及基础转台的运动模拟方面，实现了与实际航空发动机转子系统的最大相似；在动力学方面，可按照需求进行双转子模型实验台转子的转速、转子系统的支承刚度、支承阻尼等参数和基础转台位置、速度、加速度等参数的控制。最终模拟航空发动机转子系统在机动飞行条件下工作的真实工况。

设计并开发了基础运动航空发动机双转子模型实验台。实验台具备多种功能，能够真实地模拟航空发动机转子系统在偏航、俯仰、横滚、偏航和俯仰耦合、偏航和横滚耦合等机动飞行条件下的实际工况，并能够对各种姿态运动进行精确的控制；双转子结构能够实现高、低压转子同向、反向等速比转动，可在运动基础上开展一系列非线性（挤压油膜阻尼器非线性油膜力、滚珠轴承变刚度振动、滚动轴承非线性接触力等）动力学实验和故障（轴承故障、转静子碰磨等）实验；实验台具有很好的功能扩展的软硬件储备（基础运动路径控制，轴承模块扩展等）。利用此实验台可开展大量的实验工作，探索基础运动对转子系统动力学特性的影响，弥补了目前国内考虑基础运动条件下的转子动力学实验领域的空缺，为今后建立并发展一套完善的基础运动非线性转子动力学理论打下坚实的基础。

为了解决上述技术问题，本发明基础运动航空发动机双转子系统模型实验台予以实现的技术方案是：包括基础转台底座、所述基础转台底座上设有同轴线的俯仰传动轴A和俯仰传动轴B，所述俯仰传动轴A和俯仰传动轴B之间支撑有一基础转台支承，所述基础转台支承上设有主传动轴，所述主传动轴上固定有一基础转台；还包括有内外双转子系统，所述内外双转子系统包括与所述俯仰转台固定的双转子系统实验台底座、内转子、外转子、轴承座A、轴承座B、轴承座C、内转子低压压气机转盘、外转子高压压气机转盘、内转子低压涡轮转盘和外转子高压涡轮转盘；所述双转子系统实验台底座上设有内转子控制电机，所述内转子控制电机的输出轴通过一柔性联轴器将动力传递至所述内转子，所述双转子系统实验台底座上还设有外转子控制电机，所述外转子控制电机的输出轴通过外转子皮带传动系统将动力传递给所述外转子；所述内转子穿过所述外转子，所述内转子和所述外转子之间设有用于连接内转子和外转子、且调整两者之间相对位置的滚珠轴承；所述内转子的两端均分别通过轴承A和轴承B支承于轴承座A和轴承座B上，所述轴承座A为阻尼可调支承座，所述轴承座B为弹性支承座，所述内转子低压压气机转盘和内转子低压涡轮转盘均设置在所述内转子；所述外转子的一端通过该滚珠轴承支承于内转子上，所述外转子的另一端通过轴承C支承于轴承座C上，所述轴承座C为弹性支承座，所述外转子高压压气机转盘和所述外转子高压涡轮转盘设置在所述外转子上；所述俯仰传动轴A和所述俯仰传动轴B分别由俯仰轴力矩电机A和俯仰轴力矩电机B带动实现同步转动，并将动力传递给基础转台支承，从而控制基础转台的俯仰运动；所述主传动轴由一主轴力矩电机带动，并将动力传递给所述接连台面，从而实现控制基础转台的偏航运动；所述内转子和所述外转子上均设置有红外光学式传感和电涡流传感器，在各轴承座上设置压电式加速度传感器，用来测量系统振动信号。

进一步讲，本发明基础运动航空发动机双转子系统模型实验台，其中：

所述弹性支承座是设置在轴承与轴承座之间设有钢环式弹性支承,所述钢环式弹性支承包括弹性圆环，所述弹性圆环的内回转表面设有凸台，还包括一定位销，所述弹性圆环至所述轴承的外圈上设有定位销孔，所述定位销装配在该定位销孔中。

所述阻尼可调支承座包括钢环式弹性支承、挤压油膜阻尼器和轴承座外盖；所述钢环式弹性支承包括弹性圆环，所述挤压油膜阻尼器和所述弹性圆环自外向内地镶嵌在所述轴承座B和所述轴承B的外圈之间，所述弹性圆环的内回转表面设有凸台，还包括一定位销，自所述轴承座的内圈经过所述弹性圆环至所述轴承B的外圈设有销孔，所述定位销装配在该销孔中，所述弹性圆环通过该定位销固定在所述挤压油膜阻尼器与轴承座B内圈之间；所述挤压油膜阻尼器通过阻尼器固定板固定在轴承B外圈与弹性圆环之间，所述轴承座外盖通过螺钉固定在轴承座B上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在结构、运动特性两方面与实际装置相似性高，避免了因形式差异而造成的实验结果失效；

本发明中基础运动转台的两转轴转动范围均为±360°，可为双转子系统的基础提供匀速运动、匀加速运动和正弦运动，并能够进行精准的位置、速率和加速度控制，为研究真实航空发动机转子系统动力学特性提供可靠保障。

本发明的内外双转子系统配置两套支承系统：其中一套为弹性支承，另一套为阻尼可调弹性支承（带挤压油膜阻尼器），可以为双转子系统提供不同的支承刚度和支承阻尼。

本发明的内外转子通过滚动轴承连接且相对位置可调，其中滚动轴承的类型可更换，滚动轴承的滚动体数目、参数可更换，为研究轴承动力学提供条件；

附图说明

图1是本发明实验台整体结构示意图；

图2是图1中所示内外转子系统示意图；

图3是图1中所示弹性支承座21的端向结构示意图；

图4是图1中所示阻尼可调支承座11的轴向结构示意图；

图中：

1—基础转台底座          2—主轴力矩电机         3—俯仰传动轴A

4—俯仰轴力矩电机A       5—主传动轴             6—基础转台

7—双转子系统实验台底座  8—内转子控制电机       9—输出轴

10—柔性联轴器           11—阻尼可调支承座      12—内转子

13—内转子低压压气机转盘 14—外转子控制电机      15—滚珠轴承

16—外转子高压压气机转盘 17—外转子              18—外转子皮带传动系统

19—外转子高压涡轮转盘   20—内转子低压涡轮转盘  21—弹性支承座

22—俯仰传动轴B    23—俯仰轴力矩电机B   24—基础转台支承

31、41—轴承座     32、42—弹性圆环      33、45—轴承的外圈

34、49—滚珠       35、47—定位销        36、44—轴承的内圈

37—定位销         38—内（外）转子      43—挤压油膜阻尼器

46—轴承座外盖     48—阻尼器固定板      50—固定螺钉

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1和图2所示，本发明一种基础运动航空发动机双转子系统模型实验台，包括固定于地面上的基础转台底座1，所述基础转台底座1上设有同轴线的俯仰传动轴A3和俯仰传动轴B22，所述俯仰传动轴A3和俯仰传动轴B22之间支撑有一基础转台支承24，所述基础转台支承24上设有主传动轴5，所述主传动轴5上固定有一基础转台6。

还包括有内外双转子系统，如图2所示，所述内外双转子系统包括与所述基础转台6固定的双转子系统实验台底座7、内转子12、外转子17、轴承座A、轴承座B、轴承座C、内转子低压压气机转盘13、外转子高压压气机转盘16、内转子低压涡轮转盘20和外转子高压涡轮转盘19。通过控制调整基础转台6两个自由度的运动参数来实现不同的运动，为内双转子系统的的基础提供精密的双轴定位、速率基准。

所述双转子系统实验台底座7上设有内转子控制电机8，所述内转子控制电机8的输出轴9通过一柔性联轴器10将动力传递至所述内转子12，所述双转子系统实验台底座上还设有外转子控制电机14，所述外转子控制电机14的输出轴通过外转子皮带传动系统18将动力传递给所述外转子17。所述内转子12穿过所述外转子17，所述内转子12和所述外转子17之间设有用于连接内转子12和外转子17、且调整两者之间相对位置的滚珠轴承15；所述内转子12的两端均分别通过轴承A和轴承B支承于轴承座A和轴承座B上，所述轴承座A为阻尼可调支承座，所述轴承座B为弹性支承座21，所述内转子低压压气机转盘13和内转子低压涡轮转盘20均设置在所述内转子12。所述外转子17的一端通过该滚珠轴承15支承于内转子12上，所述外转子17的另一端通过轴承C支承于轴承座C上，所述轴承座C为弹性支承座。所述外转子高压压气机转盘16和所述外转子高压涡轮转盘19设置在所述外转子17上。整套内外双转子系统的支承方式（支承刚度、支承阻尼、支承位置等）可调；

所述俯仰传动轴A3和所述俯仰传动轴B22分别由俯仰轴力矩电机A4和俯仰轴力矩电机B23带动实现同步转动，并将动力传递给基础转台支承24，从而控制基础转台6的俯仰运动；所述主传动轴5由一主轴力矩电机2带动，并将动力传递给所述接连台面6，从而实现控制基础转台6的偏航运动；所述内转子12和所述外转子17上均设置有红外光学式传感和电涡流传感器，在各轴承座上设置压电式加速度传感器，用来测量系统振动信号。

如图3所示，所述轴承座B和轴承座C为结构相同的弹性支承座21，所述轴承B和轴承C均为滚珠轴承，所述滚珠轴承包括设置在轴承的外圈33和轴承的内圈36之间的滚珠34,；所述弹性支承座是设置在滚动轴承与轴承座31之间设有钢环式弹性支承,所述钢环式弹性支承包括弹性圆环32，所述弹性圆环32的内回转表面设有凸台，还包括一定位销35，所述弹性圆环32与所述轴承的外圈上设有定位销孔，所述定位销35装配在该定位销孔中，所述弹性支承座具有结构简单、质量轻、占用空间小等优点，通过改变弹性圆环32外回转表面上凸台的数量可改变该弹性支承座的刚度，图3中的转子38，根据轴承座的位置不同，若是轴承座B则是指内转子，若是轴承座C则指外转子。

如图4所示，所述阻尼可调支承座包括钢环式弹性支承、挤压油膜阻尼器43和轴承座外盖46；所述钢环式弹性支承包括弹性圆环43，所述挤压油膜阻尼器43和所述弹性圆环32自外向内地镶嵌在所述轴承座B和所述轴承B的外圈之间，所述轴承B为滚动轴承，由设置在轴承的外圈45和轴承的内圈44之间的滚珠49构成，所述弹性圆环32的内回转表面设有凸台，还包括一定位销47，自所述轴承座41经过所述弹性圆环42至所述轴承的外圈45设有销孔，所述定位销47装配在该销孔中，所述弹性圆环42通过该定位销47固定在所述挤压油膜阻尼器43与轴承座的圈口之间；所述挤压油膜阻尼器43通过阻尼器固定板48固定在轴承的外圈45与弹性圆环42之间，所述轴承座外盖46通过固定螺钉50固定在轴承座B上。

本发明基础运动航空发动机双转子系统模型实验台的工作过程，实验之前，检查各零部件的连接处是否松动，并确保台面整洁无异物；检查振动测试系统连接完好，确保测试系统的有效性；

开启两轴基础转台电控系统，打开计算机测控软件，通过系统的调零功能对转台的两传动轴A、B分别进行参考位置（系统默认零位置）的调整；

启动内外双转子系统的两台控制电机（内转子控制电机8和外转子控制电机14）确定内外转子旋转方向，并分别调整至工作转速（转子的转速范围为0-10000rpm）；通过电涡流传感器对不同转速下内转子、外转子的振动信号进行采集和记录，处理内外双转子系统在基础固定条件下的数据；

通过计算机测控软件，设定转台运动参数，对基础转台的主传动轴或俯仰传动轴A、B的转动角度、速度、加速度进行控制，使内外双转子系统的基础进行匀速、匀加速或正弦运动；基础转台进行偏航、俯仰、横滚、偏航和俯仰耦合、偏航和横滚耦合等机动飞行姿态的模拟；通过电涡流传感器对不同机动飞行条件下内转子、外转子的振动信号进行采集和记录，处理内外双转子系统在基础运动条件下的数据。

基础转台参数如下：

	主轴	俯仰轴
			最大角速度	±200°/s	±400°/s
最大角加速度	±200°/s2	±400°/s2
			转动范围	±360°	±360°
速率精度	0.0001°/s	0.0001°/s
			正弦摆动	频率0.01-5Hz，幅度±20°	频率0.01-5Hz，幅度±20°

通过调节挤压油膜阻尼器的油膜压力、更换不同的滚动轴承与钢环式弹性支承，进行一系列机动飞行条件下的非线性双转子系统动力学实验。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基础运动航空发动机双转子系统模型实验台，包括基础转台底座(1)、所述基础转台底座(1)上设有同轴线的俯仰传动轴A(3)和俯仰传动轴B(22)，所述俯仰传动轴A(3)和俯仰传动轴B(22)之间支撑有一基础转台支承(24)，所述基础转台支承(24)上设有主传动轴(5)，所述主传动轴(5)上固定有一基础转台(6)；其特征在于，

还包括有内外双转子系统，所述内外双转子系统包括与所述基础转台(6)固定的双转子系统实验台底座(7)、内转子(12)、外转子(17)、轴承座A、轴承座B、轴承座C、内转子低压压气机转盘(13)、外转子高压压气机转盘(16)、内转子低压涡轮转盘(20)和外转子高压涡轮转盘(19)；

所述双转子系统实验台底座(7)上设有内转子控制电机(8)，所述内转子控制电机(8)的输出轴通过一柔性联轴器(10)将动力传递至所述内转子(12)，所述双转子系统实验台底座上还设有外转子控制电机(14)，所述外转子控制电机(14)的输出轴通过外转子皮带传动系统(18)将动力传递给所述外转子(17)；

所述内转子(12)穿过所述外转子(17)，所述内转子(12)和所述外转子(17)之间设有用于连接内转子(12)和外转子(17)、且调整两者之间相对位置的滚珠轴承(15)；

所述内转子(12)的两端均分别通过轴承A和轴承B支承于轴承座A和轴承座B上；

所述轴承座A为阻尼可调支承座，所述阻尼可调支承座包括钢环式弹性支承、挤压油膜阻尼器和轴承座外盖；所述钢环式弹性支承包括弹性圆环，所述挤压油膜阻尼器和所述弹性圆环自外向内地镶嵌在所述轴承座B和所述轴承B的外圈之间，所述弹性圆环的内回转表面设有凸台，还包括一定位销，自所述轴承座的内圈经过所述弹性圆环至所述轴承B的外圈设有销孔，所述定位销装配在该销孔中，所述弹性圆环通过该定位销固定在所述挤压油膜阻尼器与轴承座B内圈之间；所述挤压油膜阻尼器通过阻尼器固定板固定在轴承B外圈与弹性圆环之间，所述轴承座外盖通过固定螺钉固定在轴承座B上；

所述轴承座B为弹性支承座，所述弹性支承座是设置在轴承与轴承座之间设有钢环式弹性支承,所述钢环式弹性支承包括弹性圆环，所述弹性圆环的内回转表面设有凸台，还包括一定位销，所述弹性圆环与所述轴承的外圈上设有定位销孔，所述定位销装配在该定位销孔中；

所述内转子低压压气机转盘(13)和内转子低压涡轮转盘(20)均设置在所述内转子(12)上；

所述外转子(17)的一端通过该滚珠轴承(15)支承于内转子(12)上，所述外转子(17)的另一端通过轴承C支承于轴承座C上，所述轴承座C为弹性支承座，所述外转子高压压气机转盘(16)和所述外转子高压涡轮转盘(19)设置在所述外转子(17)上；

所述俯仰传动轴A(3)和所述俯仰传动轴B(22)分别由俯仰轴力矩电机A(4)和俯仰轴力矩电机B(23)带动实现同步转动，并将动力传递给基础转台支承(24)，从而控制基础转台(6)的俯仰运动；所述主传动轴(5)由一主轴力矩电机(2)带动，并将动力传递给所述基础转台(6)，从而实现控制基础转台(6)的偏航运动；

所述内转子(12)和所述外转子(17)上均设置有红外光学式传感器和电涡流传感器，在各轴承座上设置压电式加速度传感器，用来测量系统振动信号。