CN103712797B - 一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置 - Google Patents

一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置 Download PDF

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本发明公开了属于转子动力学技术领域的一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置，该装置包括安装在试验台底座上的两个轴承座，两轴承座之间安装盘鼓式转子，左侧轴承座外侧设置有直流电机，该直流电机通过电机座安装在试验台底座上，通过弹性联轴器与盘鼓式转子连接。该装置的主体为盘鼓式转子，由四个轮盘、两个鼓筒和两根转轴构成。中间大直径轮盘通过螺栓-内法兰与两侧鼓筒连接，两侧鼓筒分别与外侧轮盘外缘搭接，径向外侧由两个半圆弧卡箍压紧，并通过径向螺钉固定，两个轮盘外侧与两根圆截面实心转轴固接，右端转轴上安装一个轮盘。基于该实验装置可以研究盘鼓式转子的动力学特性及振动载荷在盘鼓式转子中的传递。

Description

一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置
技术领域
本发明属于转子动力学技术领域，特别涉及一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置。
背景技术
由于兼具鼓式转子抗弯刚性好、盘式转子强度好的优点，盘鼓式转子结构广泛用于航空发动机。盘鼓式转子由轮盘、鼓筒和轴组成，各级轮盘和鼓筒之间通过螺栓连接或焊接组合在一起。如图1所示某型航空发动机风扇段盘鼓式转子由一级轮盘1、一级鼓筒2、二级轮盘3、二级鼓筒5、三级轮盘6组成，一级鼓筒2、二级鼓筒5为薄壁短圆柱壳结构，连接一级轮盘1、二级轮盘3、三级轮盘6，起到传递扭矩的作用；一级轮盘1与一级鼓筒2之间通过焊接组合在一起，二级轮盘3、二级鼓筒5、三级轮盘6之间通过连接螺栓4连接在一起。由于鼓筒的薄壁圆柱壳结构特征和盘鼓对接面螺栓连接引起的非线性，盘鼓式转子的动力学特性和应力分布形式非常复杂，明显区别于传统转子系统。为了掌握盘鼓式转子的动力学特性，在进行理论研究的同时，迫切需要开展相关实验研究，一方面验证理论分析的正确性，另一方面从实验角度探讨盘鼓式转子的动力学行为。
经典转子动力学理论中，将转轴视为细长梁，且单个轴段内转轴为连续结构。相应地，转子试验台大多采用实心圆截面细长梁作为转轴，将圆盘固定在转轴上，构成转子系统。而模拟盘鼓式转子结构特征的实验装置非常少。文献【MatIsa,A.A.,Penny,J.E.T.andGarvey,S.D.Dynamicsofboltedandlaminatedrotors.In:ProceedingsoftheInternationalModalAnalysisConference-IMAC,SanAntonio,Texas,2000,1,867-872.】将Jeffcott转子转轴中心位置处的圆盘改造成通过周向均布螺栓连接的两个半圆盘，搭建了含螺栓连接的转子系统。文献【LiuSG,MaYH,Zhang,DY,HongJ.Studiesondynamiccharacteristicsofthejointintheaero-enginerotorsystem.MechanicalSystemandSignalProcessing,2012,29:120-136.】对螺栓连接转子系统动力学特性进行了理论和试验研究，涉及的转子试验台通过法兰将两轴段连接在一起。上述两篇文献重点研究螺栓连接对转子动力学特性影响，未考虑鼓筒薄壁圆柱壳结构特征，而且文献中的转子试验台均采用外法兰连接方式，不同于实际盘鼓式转子中的内法兰连接。上述结构上的区别，导致实验装置无法真实反映盘鼓式转子的动力学特性和应力分布特征。同时，现有实验装置无法表征盘鼓式转子中鼓筒薄壁圆柱壳以及鼓筒与轮盘内法兰-螺栓连接结构特征的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置，其特征在于，该装置由直流电机14、弹性联轴器15、左侧轴承座16、右侧轴承座25、电机座26、试验台底座27、盘鼓式转子构成；
左侧轴承座16、右侧轴承座25设置在试验台底座27上，左侧轴承座16、右侧轴承座25之间安装盘鼓式转子；左侧轴承座16外侧设置有直流电机14，该直流电机14通过电机座26安装在试验台底座27上，通过弹性联轴器15与伸出左侧轴承座16的盘鼓式转子连接。
所述盘鼓式转子由左侧转轴17、左侧轮盘18、左侧鼓筒19、中间大直径轮盘20、右侧鼓筒21、右侧轮盘22、右侧转轴23、最右侧轮盘24构成；
中间大直径轮盘20分别与左侧鼓筒19、右侧鼓筒21连接；左侧轮盘18与左侧鼓筒19连接，右侧鼓筒21与右侧轮盘22连接；左侧轮盘18外侧与左侧转轴17固接，右侧轮盘22外侧与右侧转轴23固接；右端转轴23右端安装最右侧轮盘24。
所述左侧轮盘18与左侧鼓筒19之间、右侧鼓筒21与右侧轮盘22之间均采用外缘搭接、径向外侧由两个半圆弧卡箍28包裹、通过径向螺钉29固定的连接方式；这种连接方式保证左侧轮盘18与左侧鼓筒19、右侧鼓筒21与右侧轮盘22能够拆卸，采用这种连接方式能够模拟盘鼓焊接边界条件。
所述的中间大直径轮盘20与左侧鼓筒19、右侧鼓筒21之间采用内法兰连接形式，通过若干沿圆周方向均布的螺栓30连接，与航空发动机盘鼓式转子真实结构一致。
所述左侧鼓筒19、右侧鼓筒21的几何尺寸通过量纲分析由真实鼓筒结构缩比得到，能够反映回转状态下鼓筒薄壁圆柱壳的振动特性。
所述最右侧轮盘24上开有螺纹孔，通过螺纹孔能够安装配重，模拟不平衡质量作用下盘鼓式转子的振动特性。
所述左侧转轴17、右侧转轴23为两根圆截面实心转轴。
发明的有益效果：
(1)该实验装置中的鼓筒几何尺寸通过量纲分析由真实结构缩比得到，能够反映鼓筒回转薄壁圆柱壳的振动特性；
(2)该实验装置中，中间轮盘与两侧鼓筒采用内法兰-螺栓连接，能够反映盘鼓式转子的真实连接边界条件，可以对不同螺栓预紧力条件下转子的振动进行测量，探索螺栓连接对盘鼓式转子动力学特性的影响；
(3)该装置可以通过调整最右侧轮盘附加质量的大小，测量不同不平衡质量下盘鼓式转子的动力学行为，掌握振动载荷在盘鼓式转子中的传递特性。
附图说明
图1是某型航空发动机风扇段盘鼓式转子结构示意图；
图2是本发明模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置的三维示意图；
图3是实验装置盘鼓式转子局部剖面图；
图4是图3中Ⅰ处左侧轮盘与左侧鼓筒连接局部放大图；
图5是图3中Ⅱ处中间轮盘与两侧鼓筒连接局部放大图；
图中：1-一级轮盘；2-一级鼓筒；3-二级轮盘；4-连接螺栓；5-二级鼓筒；6-三级轮盘；14-直流电机；15-弹性联轴器；16-左侧轴承座；17-左侧转轴；18-左侧轮盘；19-左侧鼓筒；20-中间大直径轮盘；21-右侧鼓筒；22-右侧轮盘；23-右侧转轴；24-最右侧轮盘；25-右侧轴承座；26-电机座；27-试验台底座；28-卡箍；29-螺钉；30-螺栓。
具体实施方式
为了使本发明的目的更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。
如图2和图3所示，该装置由直流电机14、弹性联轴器15、左侧轴承座16、右侧轴承座25、电机座26、试验台底座27、盘鼓式转子构成；左侧轴承座16、右侧轴承座25设置在试验台底座27上，左侧轴承座16、右侧轴承座25之间安装盘鼓式转子；左侧轴承座16外侧设置有直流电机14，该直流电机14通过电机座26安装在试验台底座27上，通过弹性联轴器15与伸出左侧轴承座16的盘鼓式转子的左侧转轴17相连并驱动其旋转。
所述盘鼓式转子由左侧转轴17、左侧轮盘18、左侧鼓筒19、中间大直径轮盘20、右侧鼓筒21、右侧轮盘22、右侧转轴23、最右侧轮盘24构成；左侧轮盘18与左侧鼓筒19连接，左侧轮盘18外缘设计成图2所示的阶梯状，左侧轮盘18外侧与左侧转轴17固接，左侧转轴17为圆截面实心转轴；右侧鼓筒21与右侧轮盘22连接，右侧轮盘22外侧与右侧转轴23固接，右侧转轴23为圆截面实心转轴；右侧转轴23右端安装最右侧轮盘24，最右侧轮盘24上开有螺纹孔，通过螺纹孔能够安装配重，模拟不平衡质量作用下盘鼓式转子的振动特性。
左侧鼓筒19、右侧鼓筒21的几何尺寸通过量纲分析由真实鼓筒结构缩比得到，能够反映回转状态下鼓筒薄壁圆柱壳的振动特性。
如图4，即图3中的Ⅰ处的放大图所示，左侧轮盘18与左侧鼓筒19之间、右侧鼓筒21与右侧轮盘22之间均采用外缘搭接，径向外侧由两个半圆弧卡箍28包裹，通过沿圆周方向均布的32个径向螺钉29连接在一起，这种连接方式保证左侧轮盘18与左侧鼓筒19、右侧鼓筒21与右侧轮盘22能够拆卸，采用这种连接方式能够模拟盘鼓焊接边界条件。
在横向载荷的作用下，左侧轮盘18与左侧鼓筒19的组合界面，右侧鼓筒21与右侧轮盘22的组合界面上的相对变形很小，能够很好的模拟盘鼓式转子真实结构中两侧鼓筒与外侧轮盘之间的焊接组合方式。
如图5，即图3中的Ⅱ处的放大图所示，中间大直径轮盘20与左侧鼓筒19、右侧鼓筒21之间采用内法兰连接形式，共同通过盘鼓对接面处沿圆周方向均布的24个螺栓30连接，与航空发动机盘鼓式转子真实结构一致。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置，其特征在于，该装置由直流电机(14)、弹性联轴器(15)、左侧轴承座(16)、右侧轴承座(25)、电机座(26)、试验台底座(27)、盘鼓式转子构成；
左侧轴承座(16)、右侧轴承座(25)设置在试验台底座(27)上，左侧轴承座(16)、右侧轴承座(25)之间安装盘鼓式转子；左侧轴承座(16)外侧设置有直流电机(14)，该直流电机(14)通过电机座(26)安装在试验台底座(27)上，通过弹性联轴器(15)与伸出左侧轴承座(16)的盘鼓式转子连接；
所述盘鼓式转子由左侧转轴(17)、左侧轮盘(18)、左侧鼓筒(19)、中间大直径轮盘(20)、右侧鼓筒(21)、右侧轮盘(22)、右侧转轴(23)、最右侧轮盘(24)构成；
中间大直径轮盘(20)分别与左侧鼓筒(19)、右侧鼓筒(21)连接；左侧轮盘(18)与左侧鼓筒(19)连接，右侧鼓筒(21)与右侧轮盘(22)连接；左侧轮盘(18)外侧与左侧转轴(17)固接，右侧轮盘(22)外侧与右侧转轴(23)固接；右端转轴(23)右端安装最右侧轮盘(24)；
所述左侧轮盘(18)与左侧鼓筒(19)之间、右侧鼓筒(21)与右侧轮盘(22)之间均采用外缘搭接、径向外侧由两个半圆弧卡箍(28)包裹、通过径向螺钉(29)固定的连接方式；这种连接方式保证左侧轮盘(18)与左侧鼓筒(19)、右侧鼓筒(21)与右侧轮盘(22)能够拆卸，采用这种连接方式能够模拟盘鼓焊接边界条件。
2.如权利要求1所述的一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置，其特征在于，所述的中间大直径轮盘(20)与左侧鼓筒(19)、右侧鼓筒(21)之间采用内法兰连接形式，通过若干沿圆周方向均布的螺栓(30)连接，与航空发动机盘鼓式转子真实结构一致。
3.如权利要求1所述的一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置，其特征在于，所述左侧鼓筒(19)、右侧鼓筒(21)的几何尺寸通过量纲分析由真实鼓筒结构缩比得到，能够反映回转状态下鼓筒薄壁圆柱壳的振动特性。
4.如权利要求1所述的一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置，其特征在于，所述最右侧轮盘(24)上开有螺纹孔，通过螺纹孔能够安装配重，模拟不平衡质量作用下盘鼓式转子的振动特性。
5.如权利要求1所述的一种模拟航空发动机螺栓连接盘鼓式转子的实验装置，其特征在于，所述左侧转轴(17)、右侧转轴(23)为两根圆截面实心转轴。
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