CN111911531A - 折返式弹性支承结构和发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折返式弹性支承结构和发动机，用于转子的弹性支承，包括：环绕在转子主轴外并支靠在转子主轴的轴承上的第一环圈；环绕在第一环圈外并与第一环圈同轴布设的第二环圈；用于连接第一环圈与第二环圈的弯折部；第一环圈、弯折部和第二环圈一体成型并形成轴截面为

形的基体构造。本发明的折返式弹性支承结构，通过第一环圈和第二环圈的设计，在有限的轴向空间内，满足支承刚度的前提下，通过对折返式弹性支承结构设计，相应的降低支承结构的刚度。同时又能够限制折返式弹性支承结构发生过大的变形，保证了该结构的可靠性。其刚度可控，结构简单、制造成本低廉、适用范围广，使用寿命长、可靠性好，适合用作转子机械弹性支承。

Description

折返式弹性支承结构和发动机

技术领域

本发明涉及弹性支承领域，特别地，涉及一种折返式弹性支承结构。本发明还涉及一种包括上述折返式弹性支承结构的发动机。

背景技术

现代航空发动机的工作转速一般均在10000r/min以上，一些小型发动机的工作转速则高达50000r/min，其高速转子系统大都采用“柔轴”设计，使发动机工作转速高于转子系统的临界转速。通过改变转子结构轴的(直径、支点距离等)调整临界转速往往十分困难。目前，弹性支承结构主要有两类：笼条式弹性支承、弹性环式支承。笼条式弹支通常要求较大的轴向空间，在轴向空间受限的情况下，笼条式弹支在结构布局上难以实现。弹性环式弹支占用的空间小，但由于需要在一个薄环上加工内外凸台，加工难度大，在保证加工精度的情况下难以确保薄环不发生变形。

发明内容

本发明提供了一种折返式弹性支承结构和发动机，以解决在有限的空间内，现有的弹性环式弹支易发生变形的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种折返式弹性支承结构，用于转子的弹性支承，包括：环绕在转子主轴外并支靠在转子主轴的轴承上的第一环圈；环绕在第一环圈外并与第一环圈同轴布设的第二环圈；用于连接第一环圈与第二环圈的弯折部；第一环圈、弯折部和第二环圈一体成型并形成轴截面为

形的基体构造。

进一步地，折返式弹性支承结构还包括用于限制折返式弹性支承结构弹性摆动幅度并防止在工作过程中第一环圈与第二环圈发生碰撞的限幅器。

进一步地，限幅器布设在第一环圈的外壁面远离弯折部的一端；和/或，限幅器布设在第二环圈的内壁面远离弯折部的一端。

进一步地，折返式弹性支承结构的刚度的计算公式为：

式中，k₁为第一环圈的刚度，k₂为第二环圈的刚度。

进一步地，第一环圈的刚度的计算公式为：

式中，E为折返式弹性支承结构选用材料的弹性模量，I₁为第一环圈的截面惯性参数，R₁为第一环圈的内径，L₁为第一环圈靠近弯折部的一端到轴承中心线的轴向长度，h₁为第一环圈的厚度。

进一步地，第二环圈的刚度的计算公式为：

式中，E为折返式弹性支承结构选用材料的弹性模量，I₂为第二环圈的截面惯性参数，R₁为第一环圈的内径，L₂为第二环圈的轴向长度，h₁为第一环圈的厚度，h₂为第二环圈的厚度，c₁为第一环圈与第二环圈的径向半径间隙。

进一步地，第二环圈的自由端设有用于与机匣连接的安装边。

进一步地，安装边通过连接件与机匣连接固定。

进一步地，第一环圈采用弹性的金属材料制备；第二环圈采用弹性的金属材料制备。

根据本发明的另一方面，还提供了一种发动机，其包括上述折返式弹性支承结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明的折返式弹性支承结构，包括第一环圈、弯折部和第二环圈，并且，第一环圈、弯折部和第二环圈一体成型并形成轴截面为

形的基体构造。通过第一环圈和第二环圈的设计，可以在有限的轴向空间内，满足支承刚度的前提下，通过对折返式弹性支承结构设计，相应的降低支承结构的刚度。同时又能够限制折返式弹性支承结构发生过大的变形，极大地保证了该结构的可靠性。而且，折返式弹性支承结构的刚度可控，其结构简单、制造成本低廉、适用范围广，使用寿命长、可靠性好，适合用作转子机械弹性支承。不但能提供范围宽广的支承刚度，而且本身具有较强的阻尼减振作用，将弹性支承和减振功能集于一体。本发明的返式弹性支承结构，可用于航空发动机、地面燃气轮机以及其他旋转机械转子的支承，可以在较小的轴向空间内实现支承的弹性设计，以满足转子动力学设计中对支承刚度的要求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的折返式弹性支承结构的轴截面示意图。

附图标号说明：

1、第一环圈；2、第二环圈；3、弯折部。

R₁、第一环圈1的内径；L₁、为第一环圈1靠近弯折部的一端到轴承中心线的轴向长度；h₁、第一环圈1的厚度；L₂、第二环圈2的轴向长度；h₂、第二环圈2的厚度；c₁、第一环圈1与第二环圈2的径向半径间隙。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明优选实施例的折返式弹性支承结构的轴截面示意图。

如图1所示，本实施例的折返式弹性支承结构，用于转子的弹性支承，包括：环绕在转子主轴外并支靠在转子主轴的轴承上的第一环圈1；环绕在第一环圈1外并与第一环圈1同轴布设的第二环圈2；用于连接第一环圈1与第二环圈2的弯折部3；第一环圈1、弯折部3和第二环圈2一体成型并形成轴截面为

形的基体构造。本发明的折返式弹性支承结构，包括第一环圈1、弯折部3和第二环圈2，并且，第一环圈1、弯折部3和第二环圈2一体成型并形成轴截面为

形的基体构造。通过第一环圈1和第二环圈2的设计，可以在有限的轴向空间内，满足支承刚度的前提下，通过对折返式弹性支承结构设计，相应的降低支承结构的刚度。同时又能够限制折返式弹性支承结构发生过大的变形，极大地保证了该结构的可靠性。而且，折返式弹性支承结构的刚度可控，其结构简单、制造成本低廉、适用范围广，使用寿命长、可靠性好，适合用作转子机械弹性支承。不但能提供范围宽广的支承刚度，而且本身具有较强的阻尼减振作用，将弹性支承和减振功能集于一体。本发明的返式弹性支承结构，可用于航空发动机、地面燃气轮机以及其他旋转机械转子的支承，可以在较小的轴向空间内实现支承的弹性设计，以满足转子动力学设计中对支承刚度的要求。

本实施例中，折返式弹性支承结构还包括用于限制折返式弹性支承结构弹性摆动幅度并防止在工作过程中第一环圈1与第二环圈2发生碰撞的限幅器。上述折返式弹性支承结构还包括限幅器，用于对折返式弹性支承结构的弹性摆动进行限制，并可防止在折返式弹性支承结构工作过程中，随着转子的主轴的振动增大，可能会使得第一环圈1与第二环圈2之间的间隙消失，使得第一环圈1与第二环圈2发生接触。因此，可在第一环圈1与第二环圈2接触面上布设限幅器，减小或限制第一环圈1与第二环圈2的摆动幅度，以避免产生塑性变形，也即限幅器3，一方面，可以限制折返式弹性支承结构的弹性摆动，另一方面，可以避免第一环圈1与第二环圈2发生接触损耗，同时由于第一环圈1和第二环圈2通过限幅器结合在一起，既通过限幅器的阻尼作用实现对转子的减振，还改变了折返式弹支的刚度，进而改变了转子的动力学特性，使转子从大振动状态脱离出来，亦起到降低转子振动的作用。上述折返式弹性支承结构即在较小的轴向空间内实现支承的弹性设计，以满足转子动力学设计中对支承刚度的要求。对于传统的鼠笼设计，在相同的刚度条件下，鼠笼弹支则需要更大的轴向尺寸。上述限幅器通常选用柔性的具有一定阻尼作用材料，如橡胶、石墨等，以便于起限幅作用时避免折返式弹性支承发生严重模式甚至损坏。

优选地，限幅器布设在第一环圈1的外壁面远离弯折部3的一端。和/或，限幅器布设在第二环圈2的内壁面远离弯折部3的一端。上述限幅器布设在第一环圈1的外壁面或者第二环圈2的内壁面，及第一环圈1与第二环圈2的接触面，并远离弯折部3的一端。第一环圈1的一端通过弯折部3与第二环圈2相对的一端相连接，从而在有限的空间内，将承受的作用力分散到第一环圈1和第二环圈2上，即承载相同的作用力分散面积较大的折返式弹性支承结构上，降低折返式弹性支承结构单位面积的压强，从而降低对折返式弹性支承结构的损耗，而且，上述折返式弹性支承结构的设计，使得第一环圈1具有自由端，此处的自由端容易发生摆动，且摆动频率最大，因此，通过在第一环圈1的外壁面远离弯折部3的一端或者第二环圈2的内壁面远离弯折部3的一端，也即靠近第一环圈1的自由端设计限幅器，有效的防止第一环圈1与第二环圈2发生碰撞。上述限幅器可设计两组，分别设计在第一环圈1的外壁面上和第二环圈2的内壁面，两组限幅器对称布设。

本实施例中，折返式弹性支承结构的刚度的计算公式为：

式中，k₁为第一环圈1的刚度，k₂为第二环圈2的刚度。

通过上述折返式弹性支承结构的刚度计算公式可知，可通过调节第一环圈1的刚度、第二环圈2的刚度进而调节折返式弹性支承结构的整体刚度。上述折返式弹性支承结构的设计可先通过计算需要满足的支承的刚度，在设计折返式弹性支承结构的尺寸，使得在相同的轴向空间内，设计相配备的折返式弹性支承结构，并通过调节第一环圈1和第二环圈2不同的尺寸，以满足转子动力学设计中对支承刚度的要求，尤其适用于轴向空间有限的情况，从而实现了折返式弹性支承结构的刚度可调节，从而提供了范围宽广的支承刚度，并且，在满足支承的刚度的前提下，可减小折返式弹性支承结构降低支承结构的刚度，从而节省原材料。

本实施例中，第一环圈1的刚度的计算公式为：

式中，E为折返式弹性支承结构选用材料的弹性模量，I₁为第一环圈1的截面惯性参数，R₁为第一环圈的内径，L₁为第一环圈1靠近弯折部的一端到轴承中心线的轴向长度，h₁为第一环圈的厚度。上述内径为半径。

本实施例中，第二环圈2的刚度的计算公式为：

式中，E为折返式弹性支承结构选用材料的弹性模量，I₂为第二环圈2的截面惯性参数，R₁为第一环圈1的内径，L₂为第二环圈2的轴向长度，h₁为第一环圈1的厚度，h₂为第二环圈2的厚度，c₁为第一环圈1与第二环圈2的径向半径间隙。R₁+h₁+c₁为第二环圈2的内径。上述内径为半径。

上述为第一环圈1的刚度的计算公式和第二环圈2的刚度的计算公式，通常情况下，在选用材料的弹性模量确定的条件下，通过调整轴向长度L₁、L₂，厚度h₁、h₂，第一环圈1与第二环圈2的径向间隙c₁实现刚度的调整，由于第二环圈2的自由端设有用于与机匣连接的安装边，使得第二环圈2的轴向长度L₂受限，可以通过调节L₁、h₁、h₂、c₁也可以实现折返式弹性支承结构的刚度的调节。

本实施例中，第二环圈2的自由端设有用于与机匣连接的安装边。优选地，安装边通过连接件与机匣连接固定。上述第二环圈2的自由端设计安装边与机匣连接，安装边可采用沿第二环圈2径向向外延伸的凸缘，安装边与机匣可以通过连接件固定连接。连接件可采用螺栓。

本实施例中，第一环圈1采用弹性的金属材料制备。第二环圈2采用弹性的金属材料制备。上述第一环圈1和第二环圈2选用弹性的金属材料制备获得，即满足具有一定的弹性支承，又可以限制折返式弹性支承结构的变形。优选地，弹性的金属材料可选用铝合金、高温合金等，因弹性支承需要具备较好的弹性性能并且能承受转子传递的载荷，因此宜选用金属材料。具体材料类型、材料牌号等可根据具体的需要进行选择。但也可以采用结构钢、不锈钢等材料。

根据本发明的另一方面，还提供了一种发动机，其包括上述折返式弹性支承结构。本发明的发动机，包括折返式弹性支承结构，并且已经在涡轴发动机中得到应用，大量台架试验和外场使用情况表明采用上述折返式弹性支承结构支承的转子可以在发动机中长期稳定的工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种折返式弹性支承结构，用于转子的弹性支承，其特征在于，

包括：

环绕在转子主轴外并支靠在转子主轴的轴承上的第一环圈(1)；

环绕在所述第一环圈(1)外并与所述第一环圈(1)同轴布设的第二环圈(2)；

用于连接所述第一环圈(1)与所述第二环圈(2)的弯折部(3)；

所述第一环圈(1)、弯折部(3)和第二环圈(2)一体成型并形成轴截面为

形的基体构造。

2.根据权利要求1所述的折返式弹性支承结构，其特征在于，

所述折返式弹性支承结构还包括用于限制所述折返式弹性支承结构弹性摆动幅度并防止在工作过程中所述第一环圈(1)与所述第二环圈(2)发生碰撞的限幅器。

3.根据权利要求2所述的折返式弹性支承结构，其特征在于，

所述限幅器布设在所述第一环圈(1)的外壁面远离所述弯折部(3)的一端；和/或

所述限幅器布设在所述第二环圈(2)的内壁面远离所述弯折部(3)的一端。

4.根据权利要求1所述的折返式弹性支承结构，其特征在于，

所述折返式弹性支承结构的刚度的计算公式为：

式中，k₁为第一环圈(1)的刚度，k₂为第二环圈(2)的刚度。

5.根据权利要求4所述的折返式弹性支承结构，其特征在于，

所述第一环圈(1)的刚度k₁的计算公式为：

式中，E为折返式弹性支承结构选用材料的弹性模量，I₁为第一环圈(1)的截面惯性参数，R₁为第一环圈(1)的内径，L₁为第一环圈(1)靠近弯折部(3)的一端到轴承中心线的轴向长度，h₁为第一环圈(1)的厚度。

6.根据权利要求4所述的折返式弹性支承结构，其特征在于，

所述第二环圈(2)的刚度k₂的计算公式为：

式中，E为折返式弹性支承结构选用材料的弹性模量，I₂为第二环圈(2)的截面惯性参数，R₁为第一环圈(1)的内径，L₂为第二环圈(2)的轴向长度，h₁为第一环圈(1)的厚度，h₂为第二环圈(2)的厚度，c₁为第一环圈(1)与第二环圈(2)的径向半径间隙。

7.根据权利要求1所述的折返式弹性支承结构，其特征在于，

所述第二环圈(2)的自由端设有用于与机匣连接的安装边。

8.根据权利要求7所述的折返式弹性支承结构，其特征在于，

所述安装边通过连接件与所述机匣连接固定。

9.根据权利要求1所述的折返式弹性支承结构，其特征在于，

所述第一环圈(1)采用弹性的金属材料制备；

所述第二环圈(2)采用弹性的金属材料制备。

10.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的折返式弹性支承结构。

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