CN108801621B - 模拟机动飞行条件下航空发动机转子盘腔积液的装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟机动飞行条件下航空发动机转子盘腔积液的装置，可调支板与所述基座上表面之间形成45°的夹角。盘腔积液模拟转子固定在两块立板之间。在两块立板相对应的表面呈放射状的分布有多组承力杆安装孔，并使分别位于两个立板上的各组承力杆安装孔一一对应。承力杆安装孔是以所在立板的一个直角为圆心，以该直角的两个边分别为0°和90°，在该0°～90°内每隔15°设置一组通孔。本发明对真实航空发动机转子结构进行缩放得到，以满足盘腔积液模拟转子与航空发动机转子结构的动力学相似性。模拟装置转子与水平夹角可调，能模拟发动机机动飞行时多个姿态下盘腔积液转子的动力学特性，进行卧式转子与立式转子的故障动力学特性的对比研究。

Description

模拟机动飞行条件下航空发动机转子盘腔积液的装置

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，是一种模拟机动飞行条件下航空发动机转子盘腔积液的装置。

技术背景

盘腔积液是航空发动机转子中经常发生的问题，由于航空发动机工作在高温高压的条件下，转子轴承腔处的滑油易发生气化。而封严篦齿结构在发动机运行过程中难免会产生漏气，油气将从轴承腔处流动到盘鼓结构中，当温度降低时，油气凝结为液态聚积在转子的空腔处，从而导致航空发动机转子产生独特的盘腔积液现象。盘腔积液现象将会导致航空发动机转子系统产生异常振动，引起航空发动机转子系统振动超标，带来航空发动机的可靠性问题。盘腔积液现象甚至会导致转子产生自激失稳，这将严重影响发动机的正常工作，对飞机的飞行安全造成致命的威胁。

可见对航空发动机盘腔积液所引起的转子异常振动进行研究是十分有必要的，而航空发动机转子盘腔积液实验模拟系统是研究振动规律的必要条件。在SCI期刊《Archiveof Applied Mechanics》(2006,75(10-12):619-634)中公开的“Viscous flow phenomenain a partially filled rotor–stator system”文献中，提出了一种积液盘中带有隔板的盘腔积液模拟实验器，观察了多种粘性流体的流动现象，总结了不同因素对自由液面的影响规律。但该实验装置积液盘中设置有内板，其积液流动状态不同于航空发动机中的圆周流动。

在SCI期刊《Bulletin of Jsme》(2008,52(474):474-482)中公开的“Experimentson Vibrations of a Hollow Rotor Partially Filled with Liquid”文献中，提出来一种立式的两端支承，两支承间安装具有空腔的单盘盘腔积液模拟实验器，研究了盘腔积液转子在临界转速附近时转子振动的变化以及积液粘性及比重对不稳定振动的影响规律。但该实验装置转子结构与航空发动机转子相似性不高，为立式转子，且转子位置状态不可调，仅能研究单一位置状态下积液对转子振动的影响规律。

在EI期刊《振动工程学报》(2003,16(4):453-456)中公开的“部分充液悬臂柔性转子系统不稳定特性的实验研究”文献中，提出了一种垂直支承在两个带有外弹性阻尼环含油轴承上的单盘柔性转子实验装置,转子顶端安装了具有圆柱形空腔的圆盘来模拟积液盘，研究了不同积液量对转子不稳定振动区间的影响。该转子为立式转子，转子位置状态不可调，且该悬臂式转子结构异于航空发动机转子结构形式。

公告号为CN205538223U的发明创造了一种航空发动机多因素耦合振动控制综合实验台。该实验台的航空发动机主体由真实航空发动机改造而成，高、低压转子分别由电机提供动力，更为真实的反映航空发动机高、低压双转子系统的振动情况。该实验台转子系统为卧式转子，可用于测量盘腔积液现象对航空发动机转子振动的影响。但该实验台转子位置状态也不可调，仅能模拟发动机平飞状态，无法反映机动飞行姿态下盘腔积液对转子振动特性的影响。

可见目前转子盘腔积液现象模拟实验器与航空发动机转子结构相似性不高，且仅能模拟发动机转子处于水平或竖直单一状态下的振动情况。而航空发动机工作时工况复杂，多种工作状态进行切换，单一位置状态下的盘腔积液转子振动规律并不完全适用于机动飞行姿态下积液转子在多角度方向的振动情况；此外，在不同机动飞行姿态下，积液在盘腔中分布状态不同，重力对积液的影响也随不同姿态下转子角度的变化而改变，可见多角度下盘腔积液转子振动特性实验研究必不可少。针对上述问题，本发明提出了一种模拟机动飞行条件下航空发动机转子盘腔积液的装置。

发明内容

为了克服目前转子盘腔积液现象实验模拟装置与航空发动机转子结构相似性不高，模拟发动机工作状态单一等不足，本发明提出一种模拟机动飞行条件下航空发动机转子盘腔积液的装置。

本发明包括盘腔积液模拟转子、可调支板、支撑架以及基座，其中：支撑架由两块立板组成；两块立板对称的固定在基座的上表面，并使所述两块立板均垂直于该基座的上表面。所述可调支板固定在所述支撑架的两块立板之间，并使该可调支板与所述基座上表面之间形成45°的夹角。盘腔积液模拟转子位于所述两块立板之间，并通过该盘腔积液模拟转子中的两个轴承支座固定在所述可调支板的上表面。

所述盘腔积液模拟转子包括两个轴承支座、压气机转子盘腔积液模拟盘、涡轮转子模拟盘、转子轴和联轴器。所述两个轴承支座固定在所述可调支板的上表面。转子轴的两端分别安装在所述两个轴承支座上；该转子轴的一端通过联轴器与固装在所述可调支板一端上表面的驱动电机的电机轴固连。压气机转子盘腔积液模拟盘与涡轮转子模拟盘均位于所述两个轴承支座之间并分别套装在该转子轴上；所述涡轮转子模拟盘靠近所述驱动电机一端。

所述压气机转子盘腔积液模拟盘包括积液模拟盘体、积液模拟盘盖与积液模拟盘配重块。其中，所述积液模拟盘盖位于所述积液模拟盘体一端的端面，并使该积液模拟盘盖上的插接环插入所述积液模拟盘体的插接槽内。积液模拟盘配重块嵌装在所述积液模拟盘体另一端端面的卡槽内。

所述积液模拟盘盖内孔的孔径与转子轴的直径相同，并使二者之间过盈配合。在所述积液模拟盖一端端表面的外缘和内缘分别有轴向凸出的插接环；该插接环插入位于积液模拟盘体端面环形的插接槽内并固定。在所述积液模拟盘盖上对称的有两个通孔，分别是注液孔和放液孔；所述注液孔的孔径与放液孔的孔径均为5mm。在所述积液模拟盘盖上均布有与积液模拟盘体固连的连接孔。

所述配重块组有一组或多组。每组配重块组均由两个半圆环形配重块组合而成。所述配重块配重的总质量不超过该压气机转子盘腔积液模拟盘质量的5％。

所述可调支板的两个长边的侧表面均布有多个贯通的承力杆孔，并且各所述贯通孔的中心线均平行于该可调支板的短边。

所述支撑架包括两块立板。在所述两块立板相对应的表面呈放射状的分布有多组承力杆安装孔，并使分别位于两个立板上的各组承力杆安装孔一一对应。所述的承力杆安装孔是以所在立板的一个直角为圆心，以该直角的两个边分别为0°和90°，在该0°～90°内每隔15°设置一组通孔，并且每组通孔的数量与承力杆数量相同。

所述支撑架的固有频率f＜2/5N_l，其中N_l为转子的最低工作转速

本发明中，盘腔积液模拟转子各部件结构参数根据动力学相似准则，通过对真实航空发动机转子结构进行缩放得到。从而满足了盘腔积液模拟转子与航空发动机转子结构的动力学相似性。该模拟装置转子与水平夹角的角度可调，能够模拟发动机机动飞行时多个姿态下盘腔积液转子的动力学特性。

本发明所设计的压气机转子盘腔积液模拟盘，由积液模拟盘体、积液模拟盘盖与积液模拟盘配重块组成。积液模拟盘盖采用亚克力材料，便于观察积液在运动过程中的分布状态；积液模拟盘内设计有位置相对的注液孔和放液孔，使充液与排液过程易于操作；配重块设计有三种不同质量，能对积液盘质量进行调节，配置块采用半圆环形设计，易于安装和拆卸。

本发明所设计的支撑架上等角度分布有多组通孔，结合承力杆及可调支板，能够对盘腔积液模拟转子进行多角度调节，以模拟不同位置状态发动机积液转子振动特性，操作方便，可实施性强。支撑架可防止转子沿切线方向飞出，安全性高。

本发明给出了位置状态可调的支撑架的限制条件，所述支撑架自振频率应低于转子最低工作转频的2/5，以避免支撑架共振干扰盘腔积液模拟转子转子振动。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

1、本发明克服了目前盘腔积液模拟装置模拟发动机飞行状态单一、无法满足积液转子在机动飞行姿态下多方向振动特性模拟的需求。本模拟装置转子与水平方向间角度在0°-90°范围内可调，所模拟的盘腔积液分布状态及积液转子的振动规律能够覆盖发动机所有飞行姿态。且转子结构采用结构动力学设计，保证了与航空发动机转子结构动力学相似，为机动飞行条件下发动机转子盘腔积液现象模拟提供了有力保证。

2、本模拟装置转子与水平夹角的角度可调，能够开展卧式转子与立式转子的故障模拟实验。在航空发动机转子故障动力学特性研究时，由于转子自身重力的影响，常常需建立立式转子与卧式转子两种模型进行对比分析，而对两种理论模型的实验验证也要分别设计立式转子实验模拟装置与卧式转子实验模拟装置。由于存在加工误差，两种实验模拟装置的尺寸误差、刚度误差等因素难以避免。本发明的转子角度可调，使用同一模拟装置就能实现立式转子与卧式转子两种状态切换，进行卧式转子与立式转子的故障动力学特性的对比研究。

3、本发明给出了位置状态可调的支撑架的限制条件，支撑架自振频率应低于转子最低工作转频的2/5，以避免支撑架共振干扰盘腔积液模拟转子转子振动。

4、本发明考虑了积液模拟盘的密封性及易充放液过程的易操作性，积液模拟盘盖上设计有注液孔与放液孔，充液及放液过程仅需松开孔上封严螺钉，结构简单，易于操作，可实施性强。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为压气机转子盘腔积液模拟盘左视剖面图。

图4a为积液模拟盘体主视图。

图4b为积液模拟盘体左视剖面图

图5a为积液模拟盘盖主视图。

图5b为积液模拟盘盖左视剖面图

图6a为积液模拟盘配重块主视图。

图6b为积液模拟盘配重块左视图。

图中：1.盘腔积液模拟转子；2.轴承支座；3.压气机转子盘腔积液模拟盘；4.涡轮转子模拟盘；5.转子轴；6.联轴器；7.驱动电机；8.可调支板；9.承力杆；10.支撑架；11.基座；12.积液模拟盘体；13.积液模拟盘盖；14.配重块组；15.注液孔；16.放液孔。

具体实施方式

如图1所示，本实施例是一种模拟机动飞行条件下航空发动机转子盘腔积液的装置。所述盘腔积液实验模拟装置包括盘腔积液模拟转子1、可调支板8、支撑架10以及基座11，其中：支撑架10由两块立板组成；两块立板对称的固定在基座11的上表面，并使所述两块立板均垂直于该基座的上表面。所述可调支板8固定在所述支撑架10的两块立板之间，并使该可调支板与所述基座11上表面之间形成45°的夹角。盘腔积液模拟转子1位于所述两块立板之间，并通过该盘腔积液模拟转子中的两个轴承支座2固定在所述可调支板8的上表面。

所述盘腔积液模拟转子1为模拟装置的主体，包括两个轴承支座2、压气机转子盘腔积液模拟盘3、涡轮转子模拟盘4、转子轴5和联轴器6。所述两个轴承支座2固定在所述可调支板8的上表面。转子轴5的两端分别安装在所述两个轴承支座2上；该转子轴的一端通过联轴器6与固装在所述可调支板一端上表面的驱动电机7的电机轴固连。压气机转子盘腔积液模拟盘3与涡轮转子模拟盘4均位于所述两个轴承支座之间并分别套装在该转子轴上；所述涡轮转子模拟盘4靠近所述驱动电机一端。

本实施例中，通过驱动电机7为盘腔积液模拟转子提供动力。转子轴5通过滚动轴承支承在轴承支座2上，压气机转子盘腔积液模拟盘3及涡轮转子模拟盘4均采用过盈连接方式固定在转子轴5上，转子轴5通过联轴器6与驱动电机7连接，由驱动电机提供动力。

盘腔积液模拟转子1各部件结构尺寸根据动力学相似准则，通过对真实航空发动机转子结构尺寸进行缩放得到，以满足了盘腔积液模拟转子与航空发动机转子结构的动力学相似性。本实施例中盘腔积液模拟转子与航空发动机转子缩放比为1:5。

所述压气机转子盘腔积液模拟盘3包括积液模拟盘体12、积液模拟盘盖13与积液模拟盘配重块14。其中，所述积液模拟盘盖13位于所述积液模拟盘体12一端的端面，并使该积液模拟盘盖上的插接环插入所述积液模拟盘体的插接槽内。积液模拟盘配重块14嵌装在所述积液模拟盘体12另一端端面的卡槽内。

为了便于在实验过程中观察随着转速变化积液在盘腔内的流动分布状态，所述积液模拟盘盖13采用透明亚克力材料制成。

所述积液模拟盘盖13为中空回转体。该积液模拟盖内孔的孔径与转子轴的直径相同，并使二者之间过盈配合。在所述积液模拟盖一端端表面的外缘和内缘分别有轴向凸出的插接环；该插接环插入位于积液模拟盘体12端面环形的插接槽内并固定。在所述积液模拟盘盖上对称的有两个通孔，分别是注液孔15和放液孔16；所述注液孔的孔径与放液孔的孔径均为5mm，当开始模拟压气机转子盘腔积液模拟盘3积液时，通过所述注液孔向压气机转子盘腔积液模拟盘内注入液体，当模拟结束时通过所述放液孔排出该压气机转子盘腔积液模拟盘内的液体。在所述积液模拟盘盖13上均布有连接孔，通过所述的连接孔，将积液模拟盘盖与积液模拟盘体固连。

所述配重块组14有一组或多组。每组配重块组14均由两个半圆环形的配重块组合而成。所述配重块组的总质量不超过该压气机转子盘腔积液模拟盘3质量的5％。使用时，将半圆环形的配重块分别嵌入位于所述积液模拟盘体12端面的凹槽内并固定。当需要改变压气机转子盘腔积液模拟盘3的质量时，通过不同数量组的配重块的组合实现改变压气机转子盘腔积液模拟盘3的质量。本实施例中，通过两组配重块组改变压气机转子盘腔积液模拟盘3的质量。

所述可调支板8为矩形板。自该可调支板两个长边的侧表面均布有多个贯通的承力杆孔，并且各所述贯通孔的中心线均平行于该可调支板的短边。

所述承力杆9的两端为外螺纹面。该承力杆穿过所述承力杆孔两端固定在所述支撑架10上，以支撑所述可调支板8。所述承力杆9的数量应满足支撑所述可调支板的强度需要，本实施例中，该承力杆为4根。

所述支撑架10包括两块立板。在所述两块立板相对应的表面呈放射状的分布有多组承力杆安装孔，并使分别位于两个立板上的各组承力杆安装孔一一对应。所述的承力杆安装孔是以所在立板的一个直角为圆心，以该直角的两个边分别为0°和90°，在该0°～90°内每隔15°设置一组通孔，并且每组通孔的数量与承力杆数量相同。本实施例中，每组通孔的数量为4个。

转子的最低工作转速N_l，支撑架10的固有频率f，f＜2/5N_l。

本实施例中，转子的最低工作转速N_l为600r/min，为避免共振，支撑架10的固有频率f应小于4Hz。所述的支撑架采用钢材制成，外形为正方形结构，其边长均为600mm，厚度为50mm，以满足支撑架自振频率低于转子最低工作转频的2/5的限制条件。

本实施例能够进行转子多角度方向的盘腔积液模拟实验，很好的模拟各种飞行姿态下转子盘腔积液现象引起的振动问题，同时观察得到的盘腔内积液随转速变化的分布状态，为航空发动机中转子盘腔积液引起的振动问题进行建模和理论分析提供了有力的保证；支撑架也能够防止转子沿切线方向飞出，保证了实验安全，为航空发动机转子盘腔积液模拟实验提供了良好的实验条件。

本实施例在工作时，打开注液孔15，向压气机转子盘腔积液模拟盘3中注入积液。将固定有盘腔积液模拟转子1及驱动电机7的可调支板8调整至所需角度，使承力杆9穿过支撑架10及可调支板8内部对应位置的通孔，使用紧固螺母固定在支撑架10上。使用光电传感器测量转速，使用位移传感器测量压气机转子盘腔积液模拟盘3及涡轮转子模拟盘4的振动信号。打开驱动电机7，进行航空发动机转子盘腔积液模拟实验。调整可调支板的角度以模拟不同飞行姿态下积液对发动机转子的振动特性影响规律研究。

通过调整可调支板8在所述支撑架两块立板上的安装角度，能够实现在0°～90°范围内模拟不同飞行姿态下航空发动机转子的盘腔积液现象。本实施例中，可调支板8在所述支撑架两块立板上的安装角度为45°。

不同飞行姿态下积液对发动机转子的振动特性影响规律研究：

飞机机动飞行时具有各种不同的飞行姿态，航空发动机转子与水平方向夹角也在不断改变，模拟盘腔积液转子在多种角度下振动特性是关键。打开注液孔15，向压气机转子盘腔积液模拟盘3中注入10ml水。调整可调支板8为水平方向，使盘腔积液模拟转子1与水平方向夹角为0°。通过光电传感器测量转速；通过位移传感器测量压气机转子盘腔积液模拟盘3的振动信号与涡轮转子模拟盘4的振动信号。打开驱动电机7并增速至转速大于盘腔积液模拟转子1两倍的临界转速时开始减速，直至停止；关闭驱动电机7，对采集到的振动数据进行处理，得到盘腔积液模拟转子1与水平方向夹角为0°时的振动特性。

调整可调支板8，使盘腔积液模拟转子1与水平方向夹角依次为15°、30°、45°、60°、75°、90°，并依次重复上述实验过程。对采集到的不同角度的振动数据进行处理，即得到盘腔积液模拟转子1与水平方向夹角分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°时的振动特性。

Claims (2)

1.一种模拟机动飞行条件下航空发动机转子盘腔积液的装置，其特征在于，包括盘腔积液模拟转子、可调支板、支撑架以及基座，其中：支撑架由两块立板组成；两块立板对称的固定在基座的上表面，并使所述两块立板均垂直于该基座的上表面；所述可调支板固定在所述支撑架的两块立板之间，并使该可调支板与所述基座上表面之间形成45°的夹角；盘腔积液模拟转子位于所述两块立板之间，并通过该盘腔积液模拟转子中的两个轴承支座固定在所述可调支板的上表面；

所述盘腔积液模拟转子包括两个轴承支座、压气机转子盘腔积液模拟盘、涡轮转子模拟盘、转子轴和联轴器；所述两个轴承支座固定在所述可调支板的上表面；转子轴的两端分别安装在所述两个轴承支座上；该转子轴的一端通过联轴器与固装在所述可调支板一端上表面的驱动电机的电机轴固连；压气机转子盘腔积液模拟盘与涡轮转子模拟盘均位于所述两个轴承支座之间并分别套装在该转子轴上；所述涡轮转子模拟盘靠近所述驱动电机一端；

在所述两块立板相对应的表面呈放射状分布有多组承力杆安装孔，并使分别位于两个立板上的各组承力杆安装孔一一对应；所述的承力杆安装孔是以所在立板的一个直角为圆心，该直角的两个边分别为0°和90°，在该0°～90°内每隔15°设置一组通孔，并且每组通孔的数量与承力杆数量相同；

所述支撑架的固有频率f＜2/5N_l，其中N_l为转子的最低工作转速；

所述压气机转子盘腔积液模拟盘包括积液模拟盘体、积液模拟盘盖与积液模拟盘配重块；其中，所述积液模拟盘盖位于所述积液模拟盘体一端的端面，并使该积液模拟盘盖上的插接环插入所述积液模拟盘体的插接槽内；积液模拟盘配重块嵌装在所述积液模拟盘体另一端端面的卡槽内；

所述积液模拟盘盖内孔的孔径与转子轴的直径相同，并使二者之间过盈配合；在所述积液模拟盘盖一端端表面的外缘和内缘分别有轴向凸出的插接环；该插接环插入位于积液模拟盘体端面环形的插接槽内并固定；在所述积液模拟盘盖上对称的有两个通孔，分别是注液孔和放液孔；所述注液孔的孔径与放液孔的孔径均为5mm；在所述积液模拟盘盖上均布有与积液模拟盘体固连的连接孔；

所述配重块配重有一组或多组；每组配重块均由两个半圆环形的配重块组合而成；所述配重块配重的总质量不超过该压气机转子盘腔积液模拟盘质量的5％。

2.如权利要求1所述模拟机动飞行条件下航空发动机转子盘腔积液的装置，其特征在于，所述可调支板的两个长边的侧表面均布有多个贯通的承力杆安装孔，并且各所述承力杆安装孔的中心线均平行于该可调支板的短边。

Images