CN113432784B - 一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验方法 - Google Patents

一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验方法，包括：T型槽平台、高速电机、花键传动轴、细长轴、短轴、动涡轮盘和支撑装置；所述高速电机、花键传动轴、细长轴、短轴和动涡轮盘借助于所述支撑装置设置在所述T型槽平台上；所述高速电机借助于所述花键传动轴与所述细长轴的一端传动连接；细长轴的另一端与所述短轴过盈配合连接；动涡轮盘安装设置在所述短轴上；所述高速电机能够借助于所述细长轴带动所述动涡轮盘转动，用以模拟航空发动机转子运行时的动态演化。本发明提供的简化试验装置通过一定的简化方式，将复杂的零部件等效为简单的盘轴类零件，可以大大降低计算难度，同时在试验件的加工制造方面也存在很大的优势。

Description

一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验方法
技术领域
本发明属于航空发动机转子动力学技术领域，尤其涉及一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验方法。
背景技术
目前，随着五代机对航空发动机的动力性能要求的提高，中小型涡轮轴发动机功重比也日渐提升。航空发动机动力性能提升的主要原因是发动机转速的提高。因此，在发动机研制和发展过程中，航空发动机高速转子的动力学研究的重要性大为增加，特别是航空发动机转子动力学特性显得有尤为重要。这就要求设计人员在前期设计时对转子系统进行有效的理论分析与试验模拟，但是由于航空发动机转子零部件结构通常十分复杂，无法进行直接的理论计算。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验方法，通过一定的简化方式，将复杂的零部件等效为简单的盘轴类零件，可以大大降低计算难度，同时在试验件的加工制造方面也存在很大的优势。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置，包括：T型槽平台、高速电机、花键传动轴、细长轴、短轴、动涡轮盘和支撑装置；
所述高速电机、花键传动轴、细长轴、短轴和动涡轮盘借助于所述支撑装置设置在所述T型槽平台上；
所述高速电机借助于所述花键传动轴与所述细长轴的一端传动连接；
所述细长轴的另一端与所述短轴过盈配合连接；
所述动涡轮盘安装设置在所述短轴上；
所述高速电机能够借助于所述细长轴带动所述动涡轮盘转动，用以模拟航空发动机转子运行时的动态演化。
优选地，所述支撑装置包括：电机支撑座、前支撑座和后支撑座；
所述高速电机设置在所述电机支撑座上；
所述细长轴分别穿设在所述前支撑座和所述后支撑座上；
所述电机支撑座、所述前支撑座和所述后支撑座依次固定设置在所述T型槽平台的T型槽上。
优选地，所述动涡轮与所述短轴采用长螺栓连接。
优选地，所述动涡轮盘包括：一级效涡轮盘和二级等效涡轮盘；
所述一级等效涡轮盘和所述二级等效涡轮盘与航空发动机二级涡轮在结构、质量和惯性系数方面等效。
优选地，还包括：动平衡卡盘；
所述动平衡卡盘包括一对轻质、中心有孔的半圆盘；
一对所述半圆盘通过螺栓进行紧固，并固定在所述细长轴上；
所述动平衡卡盘上设有通孔，用以添加螺栓进行试重和配重。
优选地，所述高速电机的输出轴与所述花键传动轴之间借助于膜片联轴器连接；
所述花键传动轴上设有辅助支撑；
所述辅助支撑设置在所述T型槽平台上。
优选地，所述动涡轮盘的涡轮叶片距离旋转中心的半径为R，质量为M，叶片等效质量距离旋转中心的距离为r，质量为m，符合下式：
∑imiri 2＝MR2，∑imiri 2是通多离散叶片为多个近似的规则体求得的叶片转动惯量，式中M是未知的，R等于涡轮盘的半径，即可求得叶片等效质量M的大小。
优选地，所述花键传动轴与所述细长轴的一端采用花键连接；
所述动平衡卡盘为铝合金材质制作。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验方法，具有以下有益效果：
通过一定的简化方式，将复杂的零部件等效为简单的盘轴类零件，可以大大降低计算难度，同时在试验件的加工制造方面也存在很大的优势。
其中，复杂涡轮叶盘的简化，按结构相似、质量和惯性系数等效，简化成一体结构，即将叶片等效为圆周均布的质量，忽略叶片复杂空间结构的气动效应，只考虑其与转动相关的质量分布、转动惯量等参数。其中，叶片的距离旋转中心的半径为R，质量为M，叶片等效质量距离旋转中心的距离为r，质量为m，∑imiri 2＝MR2，∑imiri 2是通多离散叶片为多个近似的规则体求得的叶片转动惯量，可以在多个三维软件中进行直接计算。式中其中M是未知的，R约等于涡轮盘的半径，即可求得叶片等效质量M的大小。
动涡轮盘的短轴连接的简化，涡轴发动机短轴与涡轮盘的端面齿啮合传递力矩，动涡轮盘的短轴连接简化方法，由于对涡轮盘进行了等效模拟，忽略了叶片的气动效应，则涡轮盘对短轴的传递力矩大大减小，因此省略短轴与涡轮盘结合面的端面齿，直接采用长螺栓将短轴和涡轮盘紧固在一起，省略了原始设计中的短轴和涡轮盘配合的端齿结构，简化了模拟件的制造装配难度，降低了成本。同时实现了涡轮盘对短轴的动力传输。
对涡轮盘的动力学相似简化、涡轮盘与短轴的端齿连接简化，一二级涡轮盘的止口串装设计，能够真实模拟航空发动机转子运行时的动态演化过程，为提高和改进发动机转子系统的相关结构设计、修改和完善产品的相关设计标准、促进新型号的研发、提高发动机使用寿命作出贡献。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置的结构示意图；
图2为本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置的一二级涡轮盘等效简化的结构示意图；
图3为本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置的短轴与等效动涡轮盘简化连接结构示意图；
图4为本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置的动平衡卡盘的结构示意图；
图5为本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置的高速电机与花键传动轴连接的结构示意图；
图6为本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置的花键传动轴与细长轴配合连接的结构示意图；
图7为本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置的细长轴剖视图；
图8为本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置的短轴与细长轴过盈配合连接的结构示意图；
图9为本发明提供的一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置的动涡轮盘的结构示意图。
【附图标记说明】
1：T型槽平台；
2：高速电机；201：膜片联轴器；
3：花键传动轴；301：花键连接；302：辅助支撑；
4：细长轴；401：细长轴输出端；
5：前支撑座；6：后支撑座；7：一级等效涡轮盘；8：二级等效涡轮盘；9：短轴；
a：短轴与涡轮连接螺栓；b：短轴与涡轮简化连接；c：过盈配合。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1和图8所示：本实施例中提供了一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验装置，包括：T型槽平台1、高速电机2、花键传动轴3、细长轴4、短轴9、动涡轮盘和支撑装置；所述高速电机2、花键传动轴3、细长轴4、短轴9和动涡轮盘借助于所述支撑装置设置在所述T型槽平台1上；
所述高速电机2借助于所述花键传动轴3与所述细长轴4的一端传动连接；所述细长轴4的另一端与所述短轴9过盈配合c连接；所述动涡轮盘安装设置在所述短轴9上；所述高速电机2能够借助于所述细长轴4带动所述动涡轮盘转动，用以模拟航空发动机转子运行时的动态演化。
本实施例中所述支撑装置包括：电机支撑座、前支撑座5和后支撑座6；所述高速电机2设置在所述电机支撑座上；所述细长轴4分别穿设在所述前支撑座5和所述后支撑座6上；所述电机支撑座、所述前支撑座5和所述后支撑座6依次固定设置在所述T型槽平台1的T型槽上。如图3所示的a和b，本实施例中所述的动涡轮盘与所述短轴9采用长螺栓连接。
如图2、图3和图9所示：本实施例中所述的动涡轮盘包括：一级等效涡轮盘7和二级等效涡轮盘8；所述一级等效涡轮盘7和所述二级等效涡轮盘8与航空发动机二级涡轮在结构、质量和惯性系数方面等效。
如图1和图4所示：本实施例中提供的用于航空发动机二级涡轮等效试验件的简化试验装置还包括：动平衡卡盘。
所述动平衡卡盘包括一对轻质、中心有孔的半圆盘；一对所述半圆盘通过螺栓进行紧固，并固定在所述细长轴上；所述动平衡卡盘上设有通孔，用以添加螺栓进行试重和配重，从而对细长轴进行动平衡。
如图5所示：本实施例中所述的高速电机2的输出轴与所述花键传动轴3之间借助于膜片联轴器201连接；所述花键传动轴3上设有辅助支撑302；所述辅助支撑302设置在所述T型槽平台1上。
应说明的是这里的所述动涡轮盘的涡轮叶片距离旋转中心的半径为R，质量为M，叶片等效质量距离旋转中心的距离为r，质量为m，符合下式：
∑imiri 2＝MR2，∑imiri 2是通多离散叶片为多个近似的规则体求得的叶片转动惯量，式中M是未知的，R等于涡轮盘的半径，即可求得叶片等效质量M的大小。这里的涡轮叶片用以等效一级等效涡轮盘和二级等效涡轮盘。
如图6和图7所示：本实施例中所述的花键传动轴3与所述细长轴4的一端采用花键连接301；所述动平衡卡盘为铝合金材质制作。
本实施例中还提供一种航空发动机涡轮盘试验等效简化方法，包括复杂涡轮叶盘简化方法、动涡轮轮盘的短轴连接简化方法具体包括如下步骤：
步骤一：所述复杂涡轮叶盘简化方法，按结构相似、质量和惯性系数等效，根据式∑imiri 2＝MR2，计算出等效质量M简化成一体结构，即忽略叶盘复杂空间结构，只考虑其与转动相关的质量分布、转动惯量等参数。将一二级涡轮盘简化为图2所示形式。
步骤二：根据步骤一的简化结果，将叶片简化为等效质量，即将动涡轮盘简化为圆盘，将不会在高速旋转工程中产生大力矩。所述动涡轮盘的短轴连接简化方法，即将原始设计中传递大力矩的短轴和动涡轮盘配合的端齿结构，简化为短轴与动涡轮盘连接采用长螺栓紧固在一起，如图3所示，降低了模拟件的制造装配难度，降低了成本。同时实现了动涡轮盘对短轴的动力传输。
步骤三：通过上述简化方法，建立了航空发动机二级涡轮等效试验件的简化试验装置，启动驱动电机，将转速升高至工作转速(超过一阶临界转速)。即可通过测试设备采集转子的原始状态的振动数据。
步骤四：所述动平衡卡盘为一对轻质、中心有孔的半圆盘，如图4所示，一对半圆盘通过螺栓进行紧固，固定在细长轴某个平衡面上，半圆盘上设计有通孔可以添加螺栓进行试重，记录试重螺栓的质量和添加的相位信息，并利用采集设备获得转子(细长轴)第一次试重的振动数据。
步骤五，将步骤四种的动平衡卡盘移动到细长轴的另一个平衡面上，并在卡盘上添加螺栓进行试重，记录试重螺栓的质量和添加的相位信息。并利用采集设备获得转子第二次试重的振动数据。
步骤六：通过步骤四、步骤五、步骤六的测试数据，我们可以得到转子的振动幅值和相位信息，通过影响系数法便可计算出在两个平衡面应加的配重和相位。完成转子的高速动平衡。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于高速动平衡的航发转子简化等效试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：按结构相似、质量和惯性系数等效，根据式∑imiri 2＝MR2，计算出由多个叶片组成的叶盘简化成一体结构的等效质量M，即忽略叶盘复杂空间结构，只考虑其与转动相关的质量分布、转动惯量；
动涡轮盘的圆盘的半径为R，叶盘等效质量为M；
叶片距离旋转中心的距离为ri，叶片的质量为mi；
∑imiri 2是将叶片离散为多个近似的规则体求得的叶片转动惯量；
式中M是未知的，即可求得叶盘等效质量M的大小；
步骤二：根据步骤一的简化结果，将叶片简化为等效质量，即将动涡轮盘简化为圆盘，将不会在高速旋转工程中产生大力矩；所述动涡轮盘的短轴连接简化方法，即将原始设计中传递大力矩的短轴和动涡轮盘配合的端齿结构，简化为短轴与动涡轮盘连接采用长螺栓紧固在一起；
步骤三：通过上述简化方法，建立了航空发动机二级涡轮等效试验件的简化试验装置，启动驱动电机，将转速升高至工作转速，即可通过测试设备采集转子的原始状态的振动数据；
所述简化试验装置包括：T型槽平台、高速电机、花键传动轴、细长轴、短轴、动涡轮盘和支撑装置；
所述高速电机、花键传动轴、细长轴、短轴和动涡轮盘借助于所述支撑装置设置在所述T型槽平台上；
所述高速电机借助于所述花键传动轴与所述细长轴的一端传动连接；
所述细长轴的另一端与所述短轴过盈配合连接；
所述动涡轮盘安装设置在所述短轴上；
所述高速电机能够借助于所述细长轴带动所述动涡轮盘转动，用以模拟航空发动机转子运行时的动态演化；
所述支撑装置包括：电机支撑座、前支撑座和后支撑座；
所述高速电机设置在所述电机支撑座上；
所述细长轴分别穿设在所述前支撑座和所述后支撑座上；
所述电机支撑座、所述前支撑座和所述后支撑座依次固定设置在所述T型槽平台的T型槽上；所述动涡轮盘与所述短轴采用长螺栓连接；
所述动涡轮盘包括：一级等效涡轮盘和二级等效涡轮盘；
所述一级等效涡轮盘和所述二级等效涡轮盘与航空发动机二级涡轮在结构、质量和惯性系数方面等效；
还包括：动平衡卡盘；
所述动平衡卡盘包括一对轻质、中心有孔的半圆盘；
一对所述半圆盘通过螺栓进行紧固，并固定在所述细长轴上；
所述动平衡卡盘上设有通孔，用以添加螺栓进行试重和配重；
所述高速电机的输出轴与所述花键传动轴之间借助于膜片联轴器连接；
所述花键传动轴上设有辅助支撑；
所述辅助支撑设置在所述T型槽平台上；
步骤四：半圆盘上通孔添加螺栓进行试重，记录试重螺栓的质量和添加的相位信息，并利用采集设备获得细长轴第一次试重的振动数据；
步骤五，将步骤四中的动平衡卡盘移动到细长轴的另一个平衡面上，并在卡盘上添加螺栓进行试重，记录试重螺栓的质量和添加的相位信息，并利用采集设备获得转子第二次试重的振动数据；
步骤六：通过步骤四、步骤五的测试数据，得到转子的振动幅值和相位信息，通过影响系数法计算出在两个平衡面应加的配重和相位，完成转子的高速动平衡。
2.根据权利要求1所述的简化等效试验方法，其特征在于，所述花键传动轴与所述细长轴的一端采用花键连接；
所述动平衡卡盘为铝合金材质制作。
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