CN110006659B - 一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器 - Google Patents
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Abstract
一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器，属于机械领域，该包括动力、低压涡轮转子、支承、风扇转子和连接部分。动力部分为低压涡轮转子部分提供动力；低压涡轮转子部分包括两个支点A、B，A位于低压转子轴前端凸台，B位于低压转子轴后端凸台；风扇转子部分包括一个支点C，C位于风扇转子轴后端凸台；支承部分包括三套轴承部件，分别位于三个支点A、B、C处。各部分之间通过连接部分连接。该装置中所有回转零件轴线共线，扭矩由电机输入分别经由低压转子轴、低压涡轮配重盘、低压压气机配重盘和齿轮机匣，最终流向风扇转子部分。本发明结构简单，便于安装满足工程需要，能够通过试验方式研究星型齿轮柔性转子耦合系统的固有特性及不平衡响应。
Description
技术领域
本发明属于机械领域的实验装置，涉及一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器。
背景技术
齿轮传动风扇发动机凭借其燃油经济性高以及污染排放量少等性能优势，在航空发动机领域内拥有巨大的发展潜力及市场应用前景。低压转子系统是齿轮传动风扇发动机的核心部件之一，结构形式为具有星型齿轮传动结构的三支点转子系统。由于复杂的齿轮结构，且转子跨距大、工作转速较高，低压压气机-涡轮转子呈柔性，系统存在多阶共振转速，这使得转子系统结构和动力学设计变得更加困难。同时，齿轮耦合转子系统的不平衡振动一直是人们关注的问题，在工程上转子系统的自激振动常有发生，甚至有造成事故。该星型齿轮柔性转子耦合系统的振动问题已逐渐成为亟待研究的课题之一。
由于转子理论模型存在局限性，而直接基于原型机进行试验研究需要很长的周期且成本较高，故基于原型机低压转子系统结构特点遵循相似性原则研制转子模型试验器，通过采用仿真模拟结合试验的方式研究该星型齿轮柔性转子耦合系统的固有特性及不平衡响应，对于深入研究齿轮传动风扇发动机低压转子系统的耦合振动规律具有指导意义，可为我国航空发动机转子系统的设计和故障分析奠定基础。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器，实现通过试验的方式研究该星型齿轮柔性转子耦合系统的固有特性及不平衡响应。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器，该试验器按照各部分的功能可以划分为：动力部分、低压涡轮转子部分、支承部分、风扇转子部分和连接部分。
所述的动力部分包括：电机25、齿轮机匣20。所述的电机25安装在桁架结构的支架17上，用于对低压涡轮转子部分提供动力，电机25轴线与支架17中轴线共线。所述的齿轮机匣20用于降低风扇配重盘2的转速，同时提高压气机及涡轮效率，通过螺栓安装在机匣支承16上，机匣支承16通过滑块能够在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。
所述的低压涡轮转子部分包括：低压转子轴12，低压涡轮配重盘13，低压压气机配重盘8，涨套压盖1-2、1-3。所述的低压转子轴12前端穿过低压涡轮配重盘13中心孔与膜片联轴器24连接，通过涨套压盖1-3限制低压涡轮配重盘13的轴向位移，所述膜片联轴器24与电机25连接。所述的低压转子轴12后端穿过低压压气机配重盘8的中心孔后与依次两个梅花联轴器19-2、19-1连接，且两个梅花联轴器19-1、19-2之间设有齿轮机匣20，通过涨套压盖1-2限制低压压气机配重盘8的轴向位移。所述的低压涡轮配重盘13以及低压压气机配重盘8的几何参数是实际的涡轮和压气机经过力学等效计算得来的。所述的低压涡轮转子部分包括两个支点A、B，其中A位于低压转子轴12的前端凸台部分，B位于低压转子轴12的后端凸台部分。
所述的风扇转子部分包括：涨套压盖1-1、风扇配重盘2、风扇转子轴7。所述风扇转子轴7前端与梅花联轴器19-1连接，后端安装风扇配重盘2，通过涨套压盖1-1限制风扇配重盘2的轴向位移。所述的风扇转子部分包括一个支点C，C位于风扇转子轴7的后端凸台部分。
所述的支承部分包括三套轴承部件，分别位于三个支点A、B、C所在位置。所述支点A、C均采用弹性支承结构。在支点A处：滚棒轴承座14后部可动部分通过承力锥壳5-2连接在支承幅板15-3的轮毂上，支承幅板15-3可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定；在支点C处：圆锥滚子轴承座3后部可动部分通过承力锥壳5-1连接在支承幅板15-1的轮毂上，支承幅板15-1可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。该种支承结构可改变系统结构的动力特性，以降低振动水平。所述支点B处：位于试验器中部(低压转子轴12的后端凸台部分)，它的刚度对于整体的性能有很大的影响，故而采用刚性支承结构，深沟球轴承座11通过支承板10与支承幅板15-2的轮毂连接，支承幅板15-2可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。三套轴承部件具体结构为：
所述的A支点轴承部件包括：滚棒轴承23，锁紧螺母21-2，滚棒轴承座14，轴承压盖9-2，支承幅板15-3，承力锥壳5-2，轴承鼠笼6-2。所述的滚棒轴承23安装在滚棒轴承座14内，锁紧螺母21-2通过螺纹拧在低压转子轴12上，用以限制滚棒轴承23内圈的轴向窜动。轴承压盖9-2的小端面与滚棒轴承23的外圈端面接触，并借助螺栓固定在滚棒轴承座14上，用以限制滚棒轴承23外圈的轴向窜动。滚棒轴承座14上开有小孔，通过螺栓固定在轴承鼠笼6-2的小端面，轴承鼠笼6-2的大端面上开有小孔，通过螺栓固定在承力锥壳5-2的小端面。承力锥壳5-2通过螺栓安装在支承幅板15-3的轮毂上。该设计可以抑制轴的弯曲变形，降低转子的振动。支承幅板15-3可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。
所述的B支点轴承部件包括：深沟球轴承座11，轴承压盖9-1，支承板10，支承幅板15-2，锁紧螺母21-1，深沟球轴承22。所述的锁紧螺母21-1通过螺纹拧在低压转子轴12上，用以限制深沟球轴承22内圈的轴向窜动。所述的轴承压盖9-1与深沟球轴承22的外圈接触，并通过螺栓安装在深沟球轴承座11上，用来限制深沟球轴承22的外圈在低压转子轴上的轴向窜动。深沟球轴承座11通过螺栓与支承板10相连接，螺栓将支承板10固定在支承幅板15-2的轮毂上。支承幅板15-2可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。
所述的C支点轴承部件包括：圆锥滚子轴承18，圆锥滚子轴承座3，轴承压盖9-3，支承幅板15-1，承力锥壳5-1，轴承鼠笼6-1，衬套4。圆锥滚子轴承18安装在圆锥滚子轴承座3里，轴承压盖9-3的小端面与圆锥滚子轴承18的外圈端面接触，并借助螺栓固定在圆锥滚子轴承座3上，用以限制圆锥滚子轴承座3外圈的轴向窜动。圆锥滚子轴承座3上开有小孔，通过螺栓固定在轴承鼠笼6-1的小端面，轴承鼠笼6-1的大端面上开有小孔，通过螺栓固定在承力锥壳5-1的小端面。承力锥壳5-1通过螺栓安装在支承幅板15-1的轮毂上。支承幅板15-1可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。所述衬套4为圆筒件，其外壁与圆锥滚子轴承座3的内壁贴合。衬套4用来将一对圆锥滚子轴承18隔离开来，使得一对圆锥滚子轴承18“反装”。
支承部分除A、B、C三个轴承部件外，还包括机匣支承16，齿轮机匣20通过螺栓安装在机匣支承16，机匣支承16可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。
所述的连接部分包括：梅花联轴器19(两个,19-1,19-2)，膜片联轴器24，以及各个螺栓。膜片联轴器24将电机25的输出端与低压转子轴12的输入端相连，梅花联轴器19-2将低压转子轴12的输出端与齿轮机匣20的输入端相连，梅花联轴器19-1将齿轮机匣20的输出端与风扇转子轴7的输入端相连。
本发明所有回转零件轴线共线，扭矩由电机25输入分别经由低压转子轴12、低压涡轮配重盘13、低压压气机配重盘8和齿轮机匣20，最终流向风扇配重盘2。
与传统的转子试验器相比，本发明的有益效果为：
为保证传动系统支承结构的相似性，对齿轮机匣20采用挂点的承力支板结构，将齿轮机匣20用螺栓连接在机匣支承16上。整机支架17上表面为试验器转子系统各部件的安装基面，合理控制了安装误差，一定程度上避免了齿轮机匣20输入输出轴与低压转子轴12不对中的问题。本发明采用模型试验器相似设计的思想，在风扇转子轴7后支点(即支点C)和低压转子轴12前支点(即支点A)设计了弹性支承结构(轴承部件A、C)与真实的支承结构契合度高，在结构简单便于安装的同时也满足工程需要。
附图说明
图1为本发明的三维结构图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的俯视图；
图4四为本发明的侧视图；
图5为齿轮机匣支承方案；
图中：1涨套压盖(三个，1-1，1-2，1-3)；2风扇配重盘；3圆锥滚子轴承座；4衬套；5承力锥壳(两个，5-1，5-2)；6轴承鼠笼(两个，6-1，6-2)；7风扇转子轴；8低压压气机配重盘；9轴承压盖(三个，9-1，9-2，9-3)；10支承板；11深沟球轴承座；12低压转子轴；13低压涡轮配重盘；14棍棒轴承座；15支承幅板(三个，15-1，15-2，15-3)；16支承机匣；17支架；18圆锥滚子轴承；19梅花联轴器(两个，19-1，19-2)；20齿轮机匣；21锁紧螺母(两个，21-1，21-2)；22深沟球轴承；23滚棒轴承；24膜片联轴器；25电机。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器，该试验器按照各部分的功能可以划分为：动力部分、低压涡轮转子部分、支承部分、风扇转子部分和连接部分。
所述的动力部分包括：电机25、齿轮机匣20。所述的电机25安装在桁架结构的支架17上，用于对低压涡轮转子部分提供动力，电机25轴线与支架17中轴线共线。所述的齿轮机匣20用于降低风扇配重盘2的转速，同时提高压气机及涡轮效率，通过螺栓安装在机匣支承16上，机匣支承16通过滑块能够在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。
所述的低压涡轮转子部分包括：低压转子轴12，低压涡轮配重盘13，低压压气机配重盘8，涨套压盖1-2、1-3。所述的低压转子轴12前端穿过低压涡轮配重盘13中心孔与膜片联轴器24连接，通过涨套压盖1-3限制低压涡轮配重盘13的轴向位移，所述膜片联轴器24与电机25连接。所述的低压转子轴12后端穿过低压压气机配重盘8的中心孔后与依次两个梅花联轴器19-2、19-1连接，且两个梅花联轴器19-1、19-2之间设有齿轮机匣20，通过涨套压盖1-2限制低压压气机配重盘8的轴向位移。所述的低压涡轮配重盘13以及低压压气机配重盘8的几何参数是实际的涡轮和压气机经过力学等效计算得来的。所述的低压涡轮转子部分包括两个支点A、B，其中A位于低压转子轴12的前端凸台部分，B位于低压转子轴12的后端凸台部分。
所述的风扇转子部分包括：涨套压盖1-1、风扇配重盘2、风扇转子轴7。所述风扇转子轴7前端与梅花联轴器19-1连接，后端安装风扇配重盘2，通过涨套压盖1-1限制风扇配重盘2的轴向位移。所述的风扇转子部分包括一个支点C，C位于风扇转子轴7的后端凸台部分。
所述的支承部分包括三套轴承部件，分别位于三个支点A、B、C所在位置。所述支点A、C均采用弹性支承结构。在支点A处：滚棒轴承座14后部可动部分通过承力锥壳5-2连接在支承幅板15-3的轮毂上，支承幅板15-3可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定；在支点C处：圆锥滚子轴承座3后部可动部分通过承力锥壳5-1连接在支承幅板15-1的轮毂上，支承幅板15-1可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。该种支承结构可改变系统结构的动力特性，以降低振动水平。所述支点B处：位于试验器中部(低压转子轴12的后端凸台部分)，它的刚度对于整体的性能有很大的影响，故而采用刚性支承结构，深沟球轴承座11通过支承板10与支承幅板15-2的轮毂连接，支承幅板15-2可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。支承部分除A、B、C三个轴承部件外，还包括机匣支承16，齿轮机匣20通过螺栓安装在机匣支承16，机匣支承16可在支架17的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定。
所述的连接部分包括：梅花联轴器19(两个,19-1,19-2)，膜片联轴器24，以及各个螺栓。膜片联轴器24将电机25的输出端与低压转子轴12的输入端相连，梅花联轴器19-2将低压转子轴12的输出端与齿轮机匣20的输入端相连，梅花联轴器19-1将齿轮机匣20的输出端与风扇转子轴7的输入端相连。
本发明所有回转零件轴线共线，扭矩由电机25输入分别经由低压转子轴12、低压涡轮配重盘13、低压压气机配重盘8和齿轮机匣20，最终流向风扇配重盘2。
试验之前先将电机25用螺栓固定在支架17上，支架上的螺栓孔在加工时保证形位要求，使得电机25轴线与支架17中轴线共线。再依次布置轴承部件A、B、C、机匣支承16，这时不要用螺栓将其固定，以便在安装联轴器时水平调整轴承部件A、B、C与机匣支承16的位置。而后依次放置低压转子轴12、低压涡轮配重盘13、低压压气机配重盘8、齿轮机匣20、风扇转子轴7及风扇配重盘2。接着从电机25输出轴开始，用联轴器将各个组件连接，若有需要可在支架导轨上水平移动轴承部件A、B、C和支承机匣14，而后用螺栓固定。最后连接电机25与ABB变频器的电路，并布置传感器准备测试。
静态特性测试：
在齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器开机之前，进行锤击试验，以加速度传感器测量所需研究对象(如低压涡轮配重盘13、风扇配重盘2、低压压气机配重盘8等)的三向静态固有特性。
动态特性测试
打开电源进行试车，由ABB变频器控制电机25的转速，测试该转子系统在加速减速过程中，尤其是在临界转速附近的振动响应；也可测试恒定转速下的振动响应。
在运转过程中测试齿轮啮合作用下的低压转子系统动力学响应，并与理论模型进行比对，验证模型的正确性。
在支承幅板15以及轴承(深沟球轴承22，滚棒轴承23)上施加单点正弦激励、单点随机激励测试轴承部件的动态响应，并与设计参数对比，评估轴承部件的减振性能。
故障模拟：
a.不对中故障：通过在支承幅板15与支架17的接触位置加垫片可模拟不对中现象。
b.不平衡故障：通过在风扇配重盘2、低压涡轮配重盘13加不平衡配重，可以用来模拟多种不平衡情况。
Claims (4)
1.一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器，其特征在于，所述的试验器按照各部分的功能划分为：动力部分、低压涡轮转子部分、支承部分、风扇转子部分和连接部分；
所述的动力部分包括：电机（25）、齿轮机匣（20）；所述的电机（25）安装在桁架结构的支架（17）上，用于对低压涡轮转子部分提供动力，电机（25）轴线与支架（17）中轴线共线；所述的齿轮机匣（20）安装在机匣支承（16）上，机匣支承（16）能够在支架（17）的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定；
所述的低压涡轮转子部分包括：低压转子轴（12），低压涡轮配重盘（13），低压压气机配重盘（8），第二涨套压盖（1-2）、第三涨套压盖（1-3）；所述的低压转子轴（12）前端穿过低压涡轮配重盘（13）中心孔与膜片联轴器（24）连接，通过第三涨套压盖（1-3）限制低压涡轮配重盘（13）的轴向位移，所述膜片联轴器（24）与电机（25）连接；所述的低压转子轴（12）后端穿过低压压气机配重盘（8）的中心孔后与第二梅花联轴器（19-2）、第一梅花联轴器（19-1）连接，且第一梅花联轴器（19-1）、第二梅花联轴器（19-2）之间设有齿轮机匣（20），通过第二涨套压盖（1-2）限制低压压气机配重盘（8）的轴向位移；所述的低压涡轮转子部分包括两个支点A、B，其中A位于低压转子轴（12）的前端凸台部分，B位于低压转子轴（12）的后端凸台部分；
所述的风扇转子部分包括：第一涨套压盖（1-1）、风扇配重盘（2）、风扇转子轴（7）；所述风扇转子轴（7）前端与第一梅花联轴器（19-1）连接，后端安装风扇配重盘（2），通过第一涨套压盖（1-1）限制风扇配重盘（2）的轴向位移；所述的风扇转子部分包括一个支点C，C位于风扇转子轴（7）的后端凸台部分；
所述的支承部分包括三套轴承部件，分别位于三个支点A、B、C所在位置；所述支点A、C均采用弹性支承结构，支点B处采用刚性支承结构；在支点A处：滚棒轴承座（14）后部可动部分通过第二承力锥壳（5-2）连接在第三支承幅板（15-3）的轮毂上，第三支承幅板（15-3）可在支架（17）的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定；在支点C处：圆锥滚子轴承座（3）后部可动部分通过第一承力锥壳（5-1）连接在第一支承幅板（15-1）的轮毂上，第一支承幅板（15-1）可在支架（17）的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定；所述支点B处：位于试验器中部，低压转子轴（12）的后端凸台部分，深沟球轴承座（11）通过支承板（10）与第二支承幅板（15-2）的轮毂连接，第二支承幅板（15-2）可在支架（17）的安装面上移动，待到达指定安装位置后通过螺栓固定；支承部分除A、B、C三个轴承部件外，还包括机匣支承（16）；
所述的连接部分包括：第一梅花联轴器（19-1）、第二梅花联轴器（19-2）、膜片联轴器（24）；电机（25）输出端与低压转子轴（12）输入端通过膜片联轴器（24）相连，低压转子轴（12）输出端与齿轮机匣（20）输入端通过第二梅花联轴器（19-2）相连，齿轮机匣（20）输出端与风扇转子轴（7）输入端通过第一梅花联轴器（19-1）相连；
该装置中所有回转零件轴线共线，扭矩由电机（25）输入分别经由低压转子轴（12）、低压涡轮配重盘（13）、低压压气机配重盘（8）和齿轮机匣（20），最终流向风扇配重盘（2）。
2.根据权利要求1所述的一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器，其特征在于，所述的支承部分中A支点轴承部件包括：滚棒轴承（23），第二锁紧螺母（21-2），滚棒轴承座（14），第二轴承压盖（9-2），第三支承幅板（15-3），第二承力锥壳（5-2），第二轴承鼠笼（6-2）；所述的滚棒轴承（23）安装在滚棒轴承座（14）内，第二锁紧螺母（21-2）拧在低压转子轴（12）上；第二轴承压盖（9-2）的小端面与滚棒轴承（23）的外圈端面接触，并固定在滚棒轴承座（14）上；滚棒轴承座（14）通过螺栓固定在第二轴承鼠笼（6-2）小端面上，第二轴承鼠笼（6-2）大端面通过螺栓固定在第二承力锥壳（5-2）的小端面上；第二承力锥壳（5-2）安装在第三支承幅板（15-3）的轮毂上。
3.根据权利要求1所述的一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器，其特征在于，所述的支承部分中B支点轴承部件包括：深沟球轴承座（11），第一轴承压盖（9-1），支承板（10），第二支承幅板（15-2），第一锁紧螺母（21-1），深沟球轴承（22）；所述的第一锁紧螺母（21-1）拧在低压转子轴（12）上，用以限制深沟球轴承（22）内圈的轴向窜动；所述的第一轴承压盖（9-1）与深沟球轴承（22）的外圈接触，并安装在深沟球轴承座（11）上，用来限制深沟球轴承（22）的外圈在低压转子轴上的轴向窜动；深沟球轴承座（11）与支承板（10）相连接，支承板（10）固定在第二支承幅板（15-2）的轮毂上。
4.根据权利要求1所述的一种齿轮传动风扇发动机低压转子系统模型试验器，其特征在于，所述的支承部分中C支点轴承部件包括：圆锥滚子轴承（18），圆锥滚子轴承座（3），第三轴承压盖（9-3），第一支承幅板（15-1），第一承力锥壳（5-1），第一轴承鼠笼（6-1）；圆锥滚子轴承（18）安装在圆锥滚子轴承座（3）里，第三轴承压盖（9-3）的小端面与圆锥滚子轴承（18）的外圈端面接触，并固定在圆锥滚子轴承座（3）上，用以限制圆锥滚子轴承座（3）外圈的轴向窜动；圆锥滚子轴承座（3）通过螺栓固定在第一轴承鼠笼（6-1）的小端面，第一轴承鼠笼（6-1）的大端面通过螺栓固定在第一承力锥壳（5-1）的小端面；第一承力锥壳（5-1）安装在第一支承幅板（15-1）轮毂上。
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