CN104536475A - 调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法，该方法不需要在发动机轴系外再安装一个专门的临界转速调节装置，节约飞行器空间，减少重量，提高可靠性。该方法采取改变发动机零件结构尺寸的方式来调整高速联合转子的临界转速，简单可行。

Description

调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法

技术领域

本发明涉及转子系统临界转速的调整方法，具体涉及一种调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法。

背景技术

在航空、石油化工、电力、船舶等部门，甚至一般工厂中的许多机器都带有旋转部件——转子。例如，航空涡轮发动机、蒸汽轮机、燃气轮机、气体压缩机以及鼓风机等都是以转子为主体的机器，所有这些机器都统称为旋转机械。旋转机械经常出现这样的现象：虽然转子经过静、动平衡，但当转子升速(或降速)到某个转速时，转子系统发生共振，机器发生剧烈振动，此时的转速称为临界转速。机器在临界转速下运行是危险的，必须调整临界转速使之远离工作转速。对于一些变转速的机器有时不可能将临界转速移出工作转速，也应当尽量调整使留在工作转速范围内的临界转速仅仅处在加速通过的某个转速上，且不宜停留。

转子系统运转时经常处于自身不平衡激振力的作用下，当转子的固有频率等于该激振力频率(等于转子转速)时即发生共振，机器振动剧烈，共振时转子的转速定义为临界转速。转子在远小于或远大于临界转速下工作时，运转平稳，机器振动很小。

临界转速是指转动件转子在运转中都会发生振动，转子的振幅随转速的增大而增大，到某一转速时振幅达到最大值(也就是平常所说的共振)，超过这一转速后振幅随转速增大逐渐减少，且稳定于某一范围内，这一转子振幅最大的转速称为转子的临界转速。这个转速等于转子的固有频率，当转速继续增大，接近2倍固有频率时振幅又会增大，当转速等于2倍固有频率时称为二阶(级)临界转速，依次类推有三阶、四阶。

传统方法不计算每个影响因素对联合转子临界转速的敏感度，只是根据相关理论调整发动机部分零部件的结构尺寸，从而达到调整临接转速的目的，有一定的盲目性。

传统方法多采用传递矩阵方计算联合转子的临界转速，传统方法应用对象多为低速、大型转子，采用在转子外再增加一个临界转速调整装置的方法调整临界转速，从而增加了飞行器的空间和重量，降低了可靠性。

发明内容

本发明克服了现有技术中在转子外再增加一个临界转速调整装置的方法调整临界转速，存在增加了飞行器的空间和重量，降低了可靠性的不足，提供一种不需要在发动机轴系外再安装一个专门的临界转速调节装置，节约飞行器空间，减少重量，提高可靠性的调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法，它包括以下步骤：

a、选择一台微型涡喷发动机，基于有限元计算模型测试联合转子在工作转速内的临界转速，并将其定义为临界转速理论计算值A，将联合转子的临界转速试验实测值定义为B；通过△＝|(A-B)/B|×100％得到误差值△，判断误差值△的范围是否在0-5％，如果在，则不需要调整有限元计算模型，如果不在，则需要修正有限元计算模型，最终使误差值△在0-5％以内；

b、定义联合转子的基本临界转速值为N，N＝B,判断基本临界转速值N是否在微型涡喷发动机工作转速内，如果不在，则不需要进行基本临界转速值N的调整，如果在，就需要进行基本临界转速值N的调整；

c、分析联合转子的结构，确定可以用来调整临界转速的要素，所述要素包括发动机轴承预紧力、发动机轴承外圈增加胶圈、发动机端转子跨度、发电机端转子跨度、发动机转子直径或联轴器材料。

d、改变步骤c中确定出来的各个要素，基于有限元计算软件重新建模并进行联合转子临界转速计算得出临界转速计算值N_i，通过N-N_i得出其中最大临界转速变化值定义为N_imax；

e、将各个要素变化后计算得到的最大临界转速变化值N_imax分别与基本临界转速值N对比，通过δ_i＝(N_imax÷N)×100％得出敏感度δ_i，对各个敏感度δ_i进行排序，确定若干个较大δ_i对应的要素，定义为关键要素；

f、将若干个关键要素进行组合，基于有限元计算软件计算联合转子的临界转速，从计算结果中确定一组能够满足临界转速调整要求的关键要素；

g、进行联合转子强度计算；

h、根据所述步骤f中确定的关键要素更改发动机零件的设计图，加工零件，装配发动机进行试验，测试发动机临界转速，验证计算结果的正确性。

优选的，所述步骤a中微型涡喷发动机的额定转速可达106000r/min，所述联合转子包括发电机转子和发动机转子，所述发电机转子和发动机转子通过联轴器连接。

优选的，所述步骤a中修正有限元计算模型包括通过改变发动机端轴承刚度来调整联合转子的支承刚度，发动机端轴承刚度计算公式为 其中d为滚珠直径，n为滚珠或滚子数量，β为接触角,F_r为径向外力，K_rr为发动机端轴承刚度径向刚度。

优选的,所述步骤b中的调整N值的步骤包括如果N值靠近微型涡喷发动机的工作转速下限，则降低N值；如果N值靠近微型涡喷发动机的工作转速上限，则增加N值。

本发明通过对要素进行敏感度进算，从中确定几个对联合转速影响较大的要素(例如，轴承等效刚度，发动机轴的结构尺寸，联轴套的结构尺寸，发电机轴的结构尺寸)，在调整联合转子临界转速的过程中，只需要调整上述几个影响较大的因素就可以达到调整临界转速的目的，与传统方法相比，具有方向明确，节省时间的特点。

本发明采用了有限元法计算联合转子的临界转速，和传统的传递矩阵法比较，有限元法需要占用更多的计算机存储，程序比较复杂，但是计算结果精度比较高，而且可以避免传递矩阵中可能出现的数值不稳定现象。

本发明应用对象为高速、微型转子、不增加额外临界转速调速装置，只通过调整转子系统本省零件结构尺寸来调整临界转速。

本发明还主要用于额定转速可达100000r/min的联合转子临界转速的调整，从而使微型涡喷发动机平稳运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、计算“基础临界转速”的有限元模型通过测试试验数据的修正，计算模型中赋予的轴承刚度数值接近发动机支承刚度真实数值，保证理论计算模型和结果的准确性；

2、采用了临界转速影响因素敏感度的计算，明确了转子系统临界转速调整的方向，减少了临界转速调整的盲目性。

附图说明

图1为本发明专利的微型涡喷发动机联合转子的结构示意图。

图中，对应的附图标记名称为：

1发电机端轴承，2发电机轴，3发电机，4联轴器，5压气机，6发动机端轴承，7涡轮，8后螺母，9发动机轴，10波形弹簧，11垫片，12胶圈，13前螺母，L1发电机端转子跨度，L2发动机端转子跨度。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中选用一台微型涡喷发动机，额定转速为106000r/min，工作转速为85000r/min-100000r/min。

a、基于有限元计算模型测试联合转子在工作转速内的临界转速，并将其定义为临界转速理论计算值A，将联合转子的临界转速试验实测值定义为B；通过△＝|(A-B)/B|×100％得到误差值△，判断误差值△的范围是否在0-5％，如果在，则不需要调整有限元计算模型，如果不在，则需要修正有限元计算模型，最终使误差值△在0-5％以内。

计算结果如表1所示：

表1

该转子临界转速的临界转速理论计算值A与临界转速试验实测值B误差超过5％，需要进行有限元计算模型修正。首先细化压气机和涡轮网格，计算结果表明，网格质量的影响较小。由此可知误差大的主要原因是：按公式(1)计算的发动机端轴承6等效刚度值与物理样机差别较大，调整轴承的弹簧等效刚度值，重新进行临界转速计算。通过多次试算，当发动机端轴承6刚度为8.0e6N/m，计算结果误差小于5％。至此有限元计算模型修正工作完成。

计算结果如表2所示：

表2

轴承刚度的初始值按公式(1)计算，公式(1)来源于《航空发动机设计手册》第19册。

$K_{\mathrm{rr}}=0.117\×{10}^4\sqrt[3]{F_r{n}^{2}d{\cos }^5\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

式中：

d—滚珠直径，mm；

n—滚珠或滚子数目；

β—接触角；

F_r—径向外力，N；

K_rr—发动机端轴承刚度径向刚度，N/mm。

b、判断是否需要调整临界转速

定义联合转子的基本临界转速值为N，N＝B＝90000r/min,在发动机的工作转速范围之内，需要调整联合转子的临界转速。因临界转速接近工作转速下限(85000r/min)，因此向下调整临界转速，使其远离工作转速。

c、分析联合转子的结构，确定可以用来调整临界转速的要素，所述要素包括发动机轴承预紧力、发动机轴承外圈增加胶圈、发动机机端转子跨度发电机端转子跨度发动机转子直径或联轴器材料。

根据临界转速的相关理论，单个转子通常从以下三个方面入手调整临界转速，本例联合转子临界转速调整借鉴了这些方法。

1)微型涡喷发动机弹性支承的刚度远小于轴的刚度，转子的临界转速取决于弹性支承的刚度，并近似正比于本例通过发动机轴承预紧力和发动机轴承外圈增加胶圈的方式改变轴承的等效刚度，从而改变弹性支承的刚度，分别设发动机轴承预紧力为要素一、发动机轴承外圈增加胶圈为要素二，发动机轴承预紧力由波形弹簧10通过垫片11对发动机端轴承6提供预紧力。

2)转子的临界转速只要发动机转子的材料、几何形状已定，它的临界转速式中为一常数，d为轴的直径，l为转子的跨度。就反映了转子的刚度，因此要减小临界转速，可以减小转子的刚度，最有效的就是增大转子的跨度，本例设发动机端转子跨度L2为要素三，设发电机端转子跨度L1为要素四；其次为减小转子的直径，本例设发动机转子直径为要素五。

3)转子材料的E/ρ值，也直接影响转子的临界转速，本例改变联轴器的材料以提高联合转子的E/ρ值，设联轴器材料为要素六。

d、改变步骤c中确定出来的各个要素，基于有限元计算软件重新建模并进行联合转子临界转速计算得出临界转速计算值N_i，通过N-N_i得出其中最大临界转速变化值定义为N_imax。

1)调整发动机轴承预紧力(要素一)

随着发动机轴承6预紧力的减小，发动机轴承6径向刚度变小，转子系统的临界转速相应降低。本例通过减小发动机轴承6处的波形弹簧10的弹性力值来减小发动机轴承6的预紧力。由于发动机轴承6等效刚度不易精确计算，因此，通过选用不同弹性力值的波形弹簧10装配到微型发动机上，直接测试物理样机临界转速的方法，得到不同弹性力值的波形弹簧对应的临界转速数值见表3.用实测值修正有限元计算模型，得到对应的发动机转子支承刚度值，用于后续计算。

分别选用了三组波形弹簧10，每组两个叠放装配到发动机轴承6上进行了临界转速测试试验。根据表3数据知：当波形弹簧刚度为K1时，发动机二阶临界转速由原来的90000r/min降到88120r/min，下降了1880r/min，是变化最大的临界转速，设为N₁max＝(N-N₁)。

波形弹簧刚度	K1	K2	K3
				2阶(r/min)	88120(N1)	88540	88784
变化量(r/min)	1880(N1max)	1460	1216

表3

2)发动机轴承外圈增加胶圈(要素二)

通常高速联合转子发动机端前后轴承外圈都会有一个胶圈。本例先在前轴承外圈增加一个胶圈做临界转速测试试验；然后在后轴承外圈增加一个胶圈做临界转速测试试验；最后在前后轴承外圈各增加一个胶圈做临界转速测试试验，目的是降低支承处的等效刚度，降低临界转速。三次试验的结果见表4.

根据表4数据知：当发动机轴承6前后轴承增加胶圈12时，发动机二阶临界转速由原来的90000r/min降到88790r/min，下降了1210r/min，是变化最大的临界转速，设为N₂max＝(N-N₂)。

增加胶圈情况	前轴承增加胶圈	后轴承增加胶圈	前后轴承增加胶圈
				2阶(r/min)	89120	88920	88790(N2)
变化量(r/min)	880	1080	1210(N2max)

表4

3)增大发动机端转子跨度L2(要素三)

发动机端转子跨度L2是安装在发动机主轴的前后两个轴承的轴向距离。本例中设计图样给定的跨度为60mm。增加跨度：L2＝105mm，L2＝110mm，L2＝115mm，重新建模计算，计算结果见表5。当L2＝115mm时，发动机二阶临界转速由原来的90000r/min降到87102r/min，下降了2898r/min，是变化最大的临界转速，设为N₃max＝(N-N₃)。

转子跨度L1	105	110	115
				2阶(r/min)	87524	87312	87102(N3)
变化量(r/min)	2476	2688	2898(N3max)

表5

4)增大发电机端转子跨度L1(要素四)

发电机端转子跨度L1是发电机轴上安装的前后两个轴承的轴向距离。本例中设计图样给定的跨度为100mm。增加跨度：L1＝66mm，L1＝72mm，L1＝78mm，重新建模计算，计算结果见表6。当L1＝78mm发动机二阶临界转速由原来的90000r/min降到89050r/min，下降了950r/min，是变化最大的临界转速，设为N₄max＝(N-N₄)。

转子跨度L2	66	72	78
				2阶(r/min)	89440	89228	89050(N4)
变化量(r/min)	560	772	950(N4max)

表6

5)减小发动机转子直径(要素五)

本例中设计图样给定的发动机转子直径D为60mm。减小发动机转子直径：D＝20mm，D＝18mm，D＝16mm，重新建模计算，计算结果见表7。当D＝16mm时，发动机二阶临界转速由原来的90000r/min降到87102r/min，下降了2898r/min，是变化最大的临界转速，设为N₅max＝N-N₅。

转子直径D	20	18	16
				2阶(r/min)	87421	87208	87012(N5)
变化量(r/min)	2579	2792	2898(N5max)

表7

6)改变联轴器材料(要素六)

联轴器的材料由2Cr13改为H62。经计算发动机二阶临界转速由原来的90000r/min降到89890r/min，下降了110r/min，设为N₆max。

e、将各个要素变化后计算得到的最大临界转速变化值Nimax分别与基本临界转速值N对比，通过δi＝(Nimax÷N)×100％得出敏感度δi，对各个敏感度δi进行排序，确定若干个较大δi对应的要素，定义为关键要素，敏感度的计算结果见表8。确定要素一、要素二、要素三、要素五对应的要素为关键要素。

要素	一	二	三	四	五	六
							2阶(r/min)	88120	88790	87102	89050	87010	89890
Nimax(r/min)	1880	1210	2898	950	2990	110
							敏感度δi(％)	2.09	1.34	3.22	1.06	3.32	0.12

表8

f、将若干个关键要素进行组合，基于有限元计算软件计算联合转子的临界转速，从计算结果中确定一组能够满足临界转速调整要求的关键要素。

第一组将要素一、要素三、要素五进行组合，即波形弹簧10刚度为K1，增大发动机端转子跨度L2＝115mm，减小发动机转子直径D＝16mm，重新建模计算。计算得出发动机临界转速为82582r/min.

第二组将要素二、要素三、要素五进行组合，即前后轴承增加胶圈，增大发动机端转子跨度L2＝115mm，减小发动机转子直径D＝16mm，重新建模计算。计算得出发动机临界转速为83328r/min.

两组计算结果都满足临界转速调整的要求，即都小于85000r/min)(临界转速接近工作转速下限).因82582r/min小于83328r/min，所以本例中选取第一组作为临界转速调整的关键要素。

g、进行联合转子强度计算；

波形弹簧刚度为K1时，不需要计算波形弹簧的强度。

增大发动机端转子跨度L2＝115mm，减小发动机转子直径D＝16mm时，需要重新计算强度。经计算，发动机转子的强度裕度由原来的2.85降为2.08，但仍满足工程要求，因此可以对发动机转子进行更改设计，以达到调整临界转速的目的。

第八步：按波形弹簧刚度为K1，发动机端转子跨度L2＝115mm，发动机转子直径D＝16mm更改零件的设计图样，加工零件，装配发动机进行试验，测试发动机临界转速，测试结果为82988r/min，与理论计算值相比，误差小于0.5％，验证了计算结果正确。

K1、K2和K3的取值如表9所示

K1

K2

K3

表9

以上具体实施方式对本发明的实质进行详细说明，但并不能对本发明的保护范围进行限制，显而易见地，在本发明的启示下，本技术领域普通技术人员还可以进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

a、选择一台微型涡喷发动机，基于有限元计算模型计算联合转子在工作转速内的临界转速，并将其定义为临界转速理论计算值A，将联合转子的临界转速试验实测值定义为B；通过△＝|(A-B)/B|×100％得到误差值△，判断误差值△的范围是否在0-5％，如果在，则不需要调整有限元计算模型，如果不在，则需要修正有限元计算模型，最终使误差值△在0-5％以内；

b、定义联合转子的基本临界转速值为N，N＝B,判断基本临界转速值N是否在微型涡喷发动机工作转速内，如果不在，则不需要进行基本临界转速值N的调整，如果在，就需要进行基本临界转速值N的调整；

c、分析联合转子的结构，确定可以用来调整临界转速的要素，所述要素包括发动机轴承预紧力、发动机轴承外圈增加胶圈、发动机端转子跨度、发电机端转子跨度、发动机转子直径或联轴器材料。

d、改变步骤c中确定出来的各个要素，基于有限元计算软件重新建模并进行联合转子临界转速计算，得出临界转速计算值N_i，通过N-N_i得出其中最大临界转速变化值定义为N_imax；

e、将各个要素变化后计算得到的最大临界转速变化值N_imax分别与基本临界转速值N对比，通过δ_i＝(N_imax÷N)×100％得出敏感度δ_i，对各个敏感度δ_i进行排序，确定若干个较大δ_i对应的要素，定义为关键要素；

f、将若干个关键要素进行组合，基于有限元计算软件计算联合转子的临界转速，从计算结果中确定一组能够满足临界转速调整要求的关键要素；

g、进行联合转子强度计算；

h、根据所述步骤f中确定的关键要素更改发动机零件的设计图，加工零件，装配发动机进行试验，测试发动机临界转速，验证计算结果的正确性。

2.根据权利要求1所述的调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法，其特征在于所述步骤a中微型涡喷发动机的额定转速可达106000r/min，所述联合转子包括发电机转子和发动机转子，所述发电机转子和发动机转子通过联轴器连接。

3.根据权利要求1所述的调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法，其特征在于所述步骤a中修正有限元计算模型包括通过改变发动机端轴承刚度来调整联合转子的支承刚度，发动机端轴承刚度计算公式为 其中d为滚珠直径，n为滚珠或滚子数量，β为接触角,F_r为径向外力，K_rr为发动机端轴承刚度径向刚度。

4.根据权利要求1所述的调整微型涡喷发动机高速联合转子临界转速的方法，其特征在于所述步骤b中的调整N值的步骤包括如果N值靠近微型涡喷发动机的工作转速下限，则降低N值；如果N值靠近微型涡喷发动机的工作转速上限，则增加N值。