CN112067268A - 一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器 - Google Patents

Abstract

一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器。涉及转子动力学技术领域。提出了一种可对航空发动机高压转子进行有效模拟，并进行实验的含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器。包括直流电机、前轴承座、后轴承座、含多个止口螺栓连接面的转子、尼龙绳、电机座、左侧试验台和右侧试验台。本发明能够满足对止口螺栓连接结构弯曲刚度、结构阻尼等力学特征参数变化规律的探索，对含多止口螺栓连接面的转子系统临界转速、振型以及非线性动力学响应的研究，以及对转子系统各部件不同心故障的模拟；其试验结果对止口螺栓连接结构的科学研究具有重要的参考价值，也为生产实践中止口螺栓连接结构的设计提供可靠依据。

Description

一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试 验器

技术领域

本发明涉及转子动力学技术领域，特别是涉及一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟实验器。

背景技术

止口螺栓连接结构由于结构简单、安装方便、定心性能好等优势，成为现代航空发动机转子系统中最为广泛采用的一种连接结构。然而，止口螺栓连接结构通常存在多个接触界面，结构本质上具有非连续性特征，在外载荷作用下，连接面接触状态、接触应力分布和界面相对位置等接触特征参数都会发生较大改变，引起转子系统弯曲刚度、结构阻尼、极惯性轴等力学特征参数发生变化，从而改变转子结构局部力学特征，进而对转子系统振动特性产生影响。并且实际航空发动机高压转子通常由多个结构单元通过止口螺栓连接结构组合而成，多个止口螺栓连接结构力学特征参数变化的耦合作用，将对转子系统振动特性产生显著影响，不仅会使转子动力学特性偏离设计状态，还会成为造成转子系统振动过大的重要原因之一。因此针对含多个止口螺栓连接面的转子系统，深入研究止口螺栓连接结构力学特征参数变化机理，分析多螺栓连接面耦合作用时转子系统动力学响应，对于减小止口螺栓连接部位刚度损失及能量损失、控制转子系统振动响应、保障航空发动机的安全性具有极其重要的理论研究意义和工程实用价值。但由于止口螺栓连接结构力学特征参数存在强烈的非线性特征，含多个止口螺栓连接面的转子系统动力学特性十分复杂，且明显区别于连续转子和常见的螺栓连接转子系统，现有实验装置多针对于普通螺栓连接结构，无法表征止口螺栓连接结构力学特征参数变化和多止口螺栓连接面耦合作用时的转子系统动力学响应。

因此，如何构建一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种可对航空发动机高压转子进行有效模拟，并进行实验的含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，本发明能够满足对止口螺栓连接结构弯曲刚度、结构阻尼等力学特征参数变化规律的探索，对含多止口螺栓连接面的转子系统临界转速、振型以及非线性动力学响应的研究，以及对转子系统各部件不同心故障的模拟；其试验结果对止口螺栓连接结构的科学研究具有重要的参考价值，也为生产实践中止口螺栓连接结构的设计提供可靠依据。

本发明的技术方案为：包括直流电机1、前轴承座5、后轴承座16、含多个止口螺栓连接面的转子、尼龙绳3、电机座2、左侧试验台18和右侧试验台17；

所述直流电机1安装在电机座上2，所述电机座2固定于左侧试验台18上，所述前轴承座5和后轴承座16固定于右侧试验台17上；所述转子的两端分别铰接所述前轴承座5、后轴承座16，且所述转子的一端通过尼龙绳3与直流电机1的输出轴相连。

所述含多个止口螺栓连接面的转子包括与第一级轮盘6连为一体的第一级鼓筒7、与第二级轮盘8连为一体的第二级锥筒4、与第三级轮盘10连为一体的第三级鼓筒9、第四级轮盘11、第四级轮盘后鼓筒12、与第五级轮盘13连为一体的第五级鼓筒14以及后轴颈鼓筒15；

所述第二级锥筒4的一端与所述前轴承座5铰接、且第二级锥筒4另一端的第二级轮盘8可拆卸地连接在第一级鼓筒7和第三级鼓筒9之间；所述第一级轮盘6处于第一级鼓筒7远离第二级轮盘8的一侧，所述第三级轮盘10处于第三级鼓筒9的中部；所述第四级轮盘11可拆卸地连接在第三级鼓筒9和第四级轮盘后鼓筒12之间；所述第五级鼓筒14可拆卸地连接在第四级轮盘后鼓筒12远离第四级轮盘11的一侧，所述第五级轮盘13处于第五级鼓筒14的中部；所述后轴颈鼓筒15可拆卸地连接在第五级鼓筒14远离第四级轮盘后鼓筒12的一侧、且后轴颈鼓筒15远离第五级鼓筒14的一端与后轴承座16铰接。

第二级轮盘8的两侧分别与第一级鼓筒7、第三级鼓筒9通过过盈配合的止口定心，通过多个第一螺栓2001将第一级鼓筒7、第二级轮盘8、第三级鼓筒9的轴向压紧，并在第二级轮盘8和第三级鼓筒9之间还安装有第一垫片1901。

第四级轮盘11的两侧分别与第三级鼓筒9、第四级轮盘后鼓筒12通过过盈配合的止口定心，通过若干个第二螺栓2002将第三级鼓筒9、第四级轮盘11、第四级轮盘后鼓筒12的轴向压紧，并在第四级轮盘11与第三级鼓筒9之间安装有第二垫片1902。

第四级轮盘后鼓筒12与第五级鼓筒14通过过盈配合的止口定心，通过若干个第三螺栓2003将第四级轮盘后鼓筒12与第五级鼓筒14的轴向压紧，并在第四级轮盘后鼓筒12与第五级鼓筒14之间安装有第三垫片1903。

第五级鼓筒14与后轴颈鼓筒15通过过盈配合的止口定心，通过若干个第四螺栓2004将第五级鼓筒14与后轴颈鼓筒15的轴向压紧，并在第五级鼓筒14与后轴颈鼓筒15之间安装有第四垫片1904。

所述含多个止口螺栓连接面的转子几何尺寸由真实航空发动机高压转子，在基于动力学相似理论的条件下得到，能够模拟真实航空发动机高压转子大鼓筒结构的振动特性。

所述止口螺栓连接面之间安装有环形垫片，从而通过更换不同倾角的环形垫片，模拟装配不同心故障作用下高转速大鼓筒转子的振动响应。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

一、本发明提供的含多个止口螺栓连接面的转子几何尺寸由真实航空发动机高压转子，在基于动力学相似理论的条件下得到，能够模拟真实航空发动机高压转子大鼓筒结构振动特性。

二、本发明提供的含多个止口螺栓连接面的转子的连接结构由过盈配合的止口定心，周向均匀分布的螺栓轴向压紧，可以实现止口螺栓连接结构弯曲刚度、结构阻尼等力学特征参数变化规律的研究。

三、本发明提供的含多个止口螺栓连接面的转子由多段轮盘及鼓筒和四组止口螺栓连接结构组成，可以实现多螺栓连接面耦合作用下转子系统临界转速、振型以及非线性动力学响应的研究。

四、本发明提供的含多个止口螺栓连接面的转子的螺栓连接处有与鼓筒同心的环形垫盘，通过更换不同倾角的环形垫片，可以实现装配不同心故障作用下高转速大鼓筒转子振动特性的模拟。

从整体上来说，本发明能够满足对止口螺栓连接结构弯曲刚度、结构阻尼等力学特征参数变化规律的探索，对含多止口螺栓连接面的转子系统临界转速、振型以及非线性动力学响应的研究，以及对转子系统各部件不同心故障的模拟；其试验结果对止口螺栓连接结构的科学研究具有重要的参考价值，也为生产实践中止口螺栓连接结构的设计提供可靠依据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中含多个止口螺栓连接面的转子的剖视图；

图3为本发明中第一级锥筒的立体图；

图4为图3的剖视图；

图5为本发明中第一组止口螺栓连接结构的剖视图；

图6为本发明中第二组止口螺栓连接结构的剖视图；

图7为本发明中第三组止口螺栓连接结构的剖视图；

图8为本发明中第四组止口螺栓连接结构的剖视图；

图9为本发明中后轴颈鼓筒结构的立体图；

图10为图9的剖视图；

图11为本发明中前、后轴承座及右侧试验台的局部剖视图；

图12为本发明中直流电机及电机座的局部剖视图；

图中1、直流电机；101、第一联轴器；102、键；103、电机轴；2、电机座；201、第五螺栓；202、第六螺栓；3、尼龙绳；4、第二级锥筒；401、第一轴承；402、第一锁紧螺母；403、轴肩；404、第二联轴器；405、端盖；406、第七螺栓；5、前轴承座；

6、第一级轮盘；7、第一级鼓筒；8、第二级轮盘；9、第三级鼓筒；10第三级轮盘；11、第四级轮盘；12、第四级轮盘后鼓筒；13、第五级轮盘；14、第五级鼓筒；15、后轴颈鼓筒；1501、第二轴承；1502、第二锁紧螺母；

16、后轴承座；1601、轴承盖；1602、第八螺栓；1603、第九螺栓；17、右侧试验台；1701、第一滑块；18、左侧试验台；1801、第二滑块；1901、第一垫片；1902、第二垫片；1903、第三垫片；1904、第四垫片；2001、第一螺栓；2002、第二螺栓；2003、第三螺栓；2004、第四螺栓。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

本发明如图1-12所示，包括直流电机1、前轴承座5、后轴承座16、含多个止口螺栓连接面的转子、尼龙绳3、电机座2、左侧试验台18和右侧试验台17；

所述直流电机1安装在电机座上2，所述电机座2固定于左侧试验台18上，所述前轴承座5和后轴承座16固定于右侧试验台17上；所述转子的两端分别铰接所述前轴承座5、后轴承座16，且所述转子的一端通过尼龙绳3与直流电机1的输出轴相连，即将尼龙绳绑在含多个止口螺栓连接面的转子的一端以及直流电机的输出轴上，使得直流电机开启后，可直接带动转子旋转。

如图2所示，所述含多个止口螺栓连接面的转子包括与第一级轮盘6连为一体的第一级鼓筒7、与第二级轮盘8连为一体的第二级锥筒4、与第三级轮盘10连为一体的第三级鼓筒9、第四级轮盘11、第四级轮盘后鼓筒12、与第五级轮盘13连为一体的第五级鼓筒14以及后轴颈鼓筒15；

所述第二级锥筒4的一端与所述前轴承座5铰接、且第二级锥筒4另一端的第二级轮盘8可拆卸地连接在第一级鼓筒7和第三级鼓筒9之间；所述第一级轮盘6处于第一级鼓筒7远离第二级轮盘8的一侧，所述第三级轮盘10处于第三级鼓筒9的中部；所述第四级轮盘11可拆卸地连接在第三级鼓筒9和第四级轮盘后鼓筒12之间；所述第五级鼓筒14可拆卸地连接在第四级轮盘后鼓筒12远离第四级轮盘11的一侧，所述五级轮盘13处于第五级鼓筒14的中部；所述后轴颈鼓筒15可拆卸地连接在第五级鼓筒14远离第四级轮盘后鼓筒12的一侧、且后轴颈鼓筒15远离第五级鼓筒14的一端与后轴承座16铰接。

所述第一级轮盘6、第一级鼓筒7、第二级轮盘8、第二级锥筒4、第三级鼓筒9、第三级轮盘10、第四级轮盘11、第四级轮盘后鼓筒12、第五级轮盘13、第五级鼓筒14以及后轴颈鼓筒15均保持同轴心；从而使得所述含多个止口螺栓连接面的转子与航空发动机高压转子多连接面的真实结构一致。

如图3、4所示，第二级锥筒4左端为空心轴、右端为锥形鼓筒，空心轴支承在第一轴承401上，第一轴承401右侧设计有轴肩进行轴向定位，左侧安装有第一拧紧螺母402，用于轴向压紧；空心法兰轴左端设计有外螺纹，用于安装锥形轴肩403，轴肩403左端设计有外螺纹，用于安装端盖405，轴肩403右端设计为锥形圆筒，通过第七螺栓406轴向压紧端盖405和第二联轴器404，使得第二联轴器404的锥形内筒和轴肩403的锥形圆筒轴向压紧，实现第二联轴器404的轴向定位；第二联轴器404法兰外侧有8个周向均匀分布的通孔，用来缠绕尼龙绳3，以连接直流电机1。

如图5所示，第二级轮盘8的两侧分别与第一级鼓筒7、第三级鼓筒9通过过盈配合的止口定心，通过多个第一螺栓2001将第一级鼓筒7、第二级轮盘8、第三级鼓筒9的轴向压紧，并在第二级轮盘8和第三级鼓筒9之间还安装有第一垫片1901。

具体来说：第二级轮盘8左右两侧设有止口结构，分别与第一级鼓筒7、第三级鼓筒9过盈配合，用于保证连接处部件的同心度，止口装配时采用过盈配合；第三级鼓筒9的左侧法兰上开设有多个螺纹孔，第一螺栓2001依次穿过第一级鼓筒7的右侧法兰以及第二级轮盘8，并与第三级鼓筒9的左侧法兰上的螺纹孔螺纹连接，从而通过多个第一螺栓2001实现第一级鼓筒7、第二级轮盘8、第三级鼓筒9的轴向压紧；第二级轮盘8和第三级鼓筒9之间还安装有第一垫片1901，通过更换不同倾斜角度的垫片，可以模拟不同心故障作用下高转速大鼓筒转子的振动特性。最终，使得此处的连接形式与航空发动机高压转子止口螺栓连接结构一致。

如图6所示，第四级轮盘11的两侧分别与第三级鼓筒9、第四级轮盘后鼓筒12通过过盈配合的止口定心，通过若干个第二螺栓2002将第三级鼓筒9、第四级轮盘11、第四级轮盘后鼓筒12的轴向压紧，并在第四级轮盘11与第三级鼓筒9之间安装有第二垫片1902。

具体来说：第四级轮盘11左右两侧设有止口结构，分别与第三级鼓筒9、第四级轮盘后鼓筒12过盈配合；第三级鼓筒9的右侧法兰上开设有多个螺纹孔，第二螺栓2002依次穿过第四级轮盘后鼓筒12的左侧法兰以及第四级轮盘11，并与第三级鼓筒9的右侧法兰上的螺纹孔螺纹连接，从而通过多个第二螺栓2002实现第三级轮盘及鼓筒9、第四级轮盘11、第四级轮盘后鼓筒12的轴向压紧；第四级轮盘11和第三级鼓筒9之间安装有第二垫片1902。最终，使得此处的结构可模拟实际航空发动机高压转子中的止口螺栓连接结构。

如图7所示，第四级轮盘后鼓筒12与第五级鼓筒14通过过盈配合的止口定心，通过若干个第三螺栓2003将第四级轮盘后鼓筒12与第五级鼓筒14的轴向压紧，并在第四级轮盘后鼓筒12与第五级鼓筒14之间安装有第三垫片1903。

具体来说：第四级轮盘后鼓筒12的右侧法兰设计有止口结构，并与第五级鼓筒14的左侧法兰过盈配合；第五级鼓筒14的左侧法兰上开设有多个螺纹孔，第三螺栓2003穿过第四级轮盘后鼓筒12的右侧法兰，并与第五级鼓筒14的左侧法兰上的螺纹孔螺纹连接，从而通过多个第三螺栓2003实现第四级轮盘后鼓筒12与第五级鼓筒14的轴向压紧；第四级轮盘后鼓筒12与第五级鼓筒14之间安装有第三垫片1903。

如图8所示，第五级鼓筒14与后轴颈鼓筒15通过过盈配合的止口定心，通过若干个第四螺栓2004将第五级鼓筒14与后轴颈鼓筒15的轴向压紧，并在第五级鼓筒14与后轴颈鼓筒15之间安装有第四垫片1904。

具体来说：后轴颈鼓筒15的左侧法兰设计有止口结构，与第五级鼓筒14的右侧法兰过盈配合；第五级鼓筒14的右侧法兰上开设有多个螺纹孔，第四螺栓2004穿过后轴颈鼓筒15的左侧法兰，并与第五级鼓筒14的右侧法兰上的螺纹孔螺纹连接，从而通过多个第四螺栓2004实现第五级鼓筒14与后轴颈鼓筒15的轴向压紧；第五级鼓筒14与后轴颈鼓筒15之间安装有第四垫片1904。

所述含多个止口螺栓连接面的转子几何尺寸由真实航空发动机高压转子，在基于动力学相似理论的条件下得到，能够模拟真实航空发动机高压转子大鼓筒结构的振动特性。

所述止口螺栓连接面之间安装有环形垫片，即第一垫片1901、第二垫片1902、第三垫片1903、第四垫片1904，从而通过更换不同倾角的环形垫片，模拟装配不同心故障作用下高转速大鼓筒转子的振动响应。

含多个止口螺栓连接面的转子在第一螺栓2001、第二螺栓2002、第三螺栓2003、第四螺栓2004处存在四个止口螺栓连接结构，在第二级锥筒4左端空心轴处安装转速传感器，转速传感器将转速信号传递到信号采集器，实现含多个止口螺栓连接面的转子的转速信号采集；在第一级鼓筒7、第二级锥筒4、第三级鼓筒9、第四级轮盘后鼓筒12、第五级鼓筒14、后轴颈鼓筒15外壁的横向和纵向位置安装电涡流位移传感器，电涡流位移传感器的位移信号经过前置放大器处理后输入信号采集器，实现各鼓筒位移信号的采集，最终全部信号由信号采集器输入计算机进行信号分析，即可实现多止口螺栓连接面耦合作用时转子系统临界转速、振型以及非线性动力学响应的研究。

如图9-10所示，后轴颈鼓筒15左端为法兰结构，右端为空心法兰轴，空心法兰轴支承在第二轴承1501上，第二轴承1501左侧设计有轴肩进行轴向定位，右侧安装有第二锁紧螺母1502，用于轴向压紧；

如图11所示，所述含多个止口螺栓连接面的转子左端安装于前轴承座5，右端安装于后轴承座16，轴承通过轴承盖1601进行固定，第八螺栓1602将轴承盖1601压紧；轴承座通过第九螺栓1603固定于第一滑块1701，滑块卡接于右侧试验台17，以此实现轴承座的固定。

如图12所示，所述直流电机1通过第五螺栓201固定于电机座2，电机座2通过第六螺栓202固定于第二滑块1801，滑块卡接与左侧试验台18；电机轴103右侧安装第一联轴器101，通过键102周向固定，第一联轴器101外侧法兰上有8个周向均匀分布的通孔，通过尼龙绳3的缠绕将第一联轴器101和第二联轴器404连接。

所述含多个止口螺栓连接面的转子几何尺寸由真实航空发动机高压转子，在基于动力学相似理论的条件下得到，能够模拟真实航空发动机高压转子大鼓筒结构振动特性。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，其特征在于，包括直流电机(1)、前轴承座(5)、后轴承座(16)、含多个止口螺栓连接面的转子、尼龙绳(3)、电机座(2)、左侧试验台(18)和右侧试验台(17)；

所述直流电机(1)安装在电机座上(2)，所述电机座(2)固定于左侧试验台(18)上，所述前轴承座(5)和后轴承座(16)固定于右侧试验台(17)上；所述转子的两端分别铰接所述前轴承座(5)、后轴承座(16)，且所述转子的一端通过尼龙绳(3)与直流电机(1)的输出轴相连。

2.根据权利要求1所述的一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，其特征在于，所述含多个止口螺栓连接面的转子包括与第一级轮盘(6)连为一体的第一级鼓筒(7)、与第二级轮盘(8)连为一体的第二级锥筒(4)、与第三级轮盘(10)连为一体的第三级鼓筒(9)、第四级轮盘(11)、第四级轮盘后鼓筒(12)、与第五级轮盘(13)连为一体的第五级鼓筒(14)以及后轴颈鼓筒(15)；

所述第二级锥筒(4)的一端与所述前轴承座(5)铰接、且第二级锥筒(4)另一端的第二级轮盘(8)可拆卸地连接在第一级鼓筒(7)和第三级鼓筒(9)之间；所述第一级轮盘(6)处于第一级鼓筒(7)远离第二级轮盘(8)的一侧，所述第三级轮盘(10)处于第三级鼓筒(9)的中部；所述第四级轮盘(11)可拆卸地连接在第三级鼓筒(9)和第四级轮盘后鼓筒(12)之间；所述第五级鼓筒(14)可拆卸地连接在第四级轮盘后鼓筒(12)远离第四级轮盘(11)的一侧，所述第五级轮盘(13)处于第五级鼓筒(14)的中部；所述后轴颈鼓筒(15)可拆卸地连接在第五级鼓筒(14)远离第四级轮盘后鼓筒(12)的一侧、且后轴颈鼓筒(15)远离第五级鼓筒(14)的一端与后轴承座(16)铰接。

3.根据权利要求2所述的一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，其特征在于，第二级轮盘(8)的两侧分别与第一级鼓筒(7)、第三级鼓筒(9)通过过盈配合的止口定心，通过多个第一螺栓(2001)将第一级鼓筒(7)、第二级轮盘(8)、第三级鼓筒(9)轴向压紧，并在第二级轮盘(8)和第三级鼓筒(9)之间还安装有第一垫片(1901)。

4.根据权利要求2所述的一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，其特征在于，第四级轮盘(11)的两侧分别与第三级鼓筒(9)、第四级轮盘后鼓筒(12)通过过盈配合的止口定心，通过若干个第二螺栓(2002)将第三级鼓筒(9)、第四级轮盘(11)、第四级轮盘后鼓筒(12)轴向压紧，并在第四级轮盘(11)与第三级鼓筒(9)之间安装有第二垫片(1902)。

5.根据权利要求2所述的一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，其特征在于，第四级轮盘后鼓筒(12)与第五级鼓筒(14)通过过盈配合的止口定心，通过若干个第三螺栓(2003)将第四级轮盘后鼓筒(12)与第五级鼓筒(14)的轴向压紧，并在第四级轮盘后鼓筒(12)与第五级鼓筒(14)之间安装有第三垫片(1903)。

6.根据权利要求2所述的一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，其特征在于，第五级鼓筒(14)与后轴颈鼓筒(15)通过过盈配合的止口定心，通过若干个第四螺栓(2004)将第五级鼓筒(14)与后轴颈鼓筒(15)的轴向压紧，并在第五级鼓筒(14)与后轴颈鼓筒(15)之间安装有第四垫片(1904)。

7.根据权利要求3-6所述的一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，其特征在于，所述含多个止口螺栓连接面的转子几何尺寸由真实航空发动机高压转子，在基于动力学相似理论的条件下得到，能够模拟真实航空发动机高压转子大鼓筒结构的振动特性。

8.根据权利要求3-6所述的一种含多个止口螺栓连接面的航空发动机高压转子模拟试验器，其特征在于，所述止口螺栓连接面之间安装有环形垫片，从而通过更换不同倾角的环形垫片，模拟装配不同心故障作用下高转速大鼓筒转子的振动响应。

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