CN115329506B - 用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法及安装架 - Google Patents

Abstract

本发明属于自由射流试验设备技术领域，公开了一种用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法及安装架。该设计方法包括确定动力装置安装架的初始固有频率；设计动力装置安装架的空间几何结构和安装结构，将动力装置安装架分为支架本体和辅助定位机构两个部分；分别计算动力装置安装架的支架本体辅助定位机构的固有频率与刚度；详细设计动力装置安装架的支架本体和辅助定位机构；分别校核动力装置安装架的支架本体和辅助定位机构的固有频率与刚度，并确认动力装置安装架的空间几何结构和安装结构；设计动力装置安装架固定方式。该安装架结构简单、强度刚性好、安装精度高、工作稳定性好，便于拆装，可以满足试验需求。

Description

用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法及安装架

技术领域

本发明属于自由射流试验设备技术领域，具体涉及一种用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法及安装架。

背景技术

大马赫数自由射流试验用于验证不同来流马赫数状态下动力装置的超音速气动特性。大马赫数自由射流试验最突出特点是来流马赫数较高、出口流场畸变剧烈、射流时间长，以及强来流引发的扰力和冲击力大。因为大马赫数自由射流试验时，动力装置长期工作在复杂流场、强扰动、高转速等恶劣环境中，极易诱发复合振动，严重威胁动力装置的工作可靠性和安全性。所以，用于大马赫数自由射流试验的高速动力装置的安装架，必须能够承受来自自由射流引发的冲击振动和超高速转子旋转激发的受迫振动的耦合振动；其中，冲击振动是一种具有确定性的非周期性的瞬态振动，使安装架在特定的位置处产生与激振源波形相同的加速度响应，受迫振动主要通过调频和采用阻尼减振措施，消耗能量，降低和消除振幅。

安装架不仅具有固定动力装置、承受射流引发的非周期性冲击振动的作用，还具有承受超高速小型动力装置旋转过程引起的振动、负载转矩及附加弯矩等载荷的作用。若安装架的固有频率在大马赫数自由射流激振源加速度响应频率和发动机激励频率范围内，就会产生较大的摆振和扭转振动，降低零部件的使用寿命，甚至出现瞬间撕裂破坏的风险。为了抵抗和消除因大马赫数自由射流带来的大扰力和强冲击力引发的振动问题，动力装置的安装架的强度刚度和减振设计非常重要，安装架的整体结构布局与强度振动设计，是大马赫数自由射流试验的核心技术之一。

当前，亟需发展一种用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法及安装架。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于自由射流试验的动力装置安装架。

本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法，包括以下步骤：

S10.确定动力装置安装架的初始固有频率；

以动力装置在工作转速范围内不允许存在临界转速，或者动力装置的转子过临界转速时的振动极限满足安全共振裕度要求为目标，确定动力装置安装架的初始固有频率；

S20.设计动力装置安装架的空间几何结构和安装结构，将动力装置安装架分为支架本体和辅助定位机构两个部分；

依据初始固有频率，考虑大马赫数自由射流试验功能需求、试验装配工艺、测试要求、安装架刚度等约束因素，设计动力装置安装架的空间几何结构安装结构，将动力装置安装架分为支架本体和辅助定位机构两个部分；

S30.分别计算动力装置安装架的支架本体和辅助定位机构的固有频率与刚度；

分别计算动力装置安装架的支架本体和辅助定位机构的固有频率与刚度，直至动力装置和动力装置安装架整体的安全共振裕度不小于20%；

S40.详细设计动力装置安装架的支架本体和辅助定位机构；

支架本体和辅助定位机构按照安装精度高、工作稳定性好、便于拆装与维修的要求进行设计，工艺流程为先拼焊再机加；

S41.设计支架本体；

支架本体的前端面设计一个方形的激波卸流窗口，后端面设计一个圆形的次流排气口；激波卸流窗口和次流排气口，用于减少大马赫射流在自由射流风洞壁面形成涡流和降低扰力与冲击力；

支架本体的前支柱、后支柱的上部，分别设计前、后两个半圆形安装槽，依次为前安装固定环和后定位调整环；

将支架本体的前、后、左、右四个边角的上端面，设计成两个安装面和两个定位基准面；

S42.设计辅助定位机构；

在辅助定位机构的轴向，设计与支架本体的两个半圆形安装槽相匹配两个半圆环；前固定环对应前安装固定环、后固定环对应后定位调整环；

将辅助定位机构的前、后、左、右四个边角，设计成与支架本体的两个安装面和两个定位基准面相对应的四个安装定位凸台，四个安装定位凸台通过精密螺钉分别对应安装在支架本体的上端面的前、后、左、右四个边角上；精密螺钉具有压紧和限位作用；

S50.分别校核动力装置安装架的支架本体和辅助定位机构的固有频率与刚度，并确认动力装置安装架的空间几何结构和安装结构；

通过迭代计算，分别校核动力装置安装架的支架本体和辅助定位机构的固有频率与刚度，直至确定符合步骤S30的固有频率与刚度要求；

S60.设计动力装置安装架固定方式；

按照保证动力装置安装架的整体刚度、装配精度、工作稳定性，以及便于拆装与维修的要求，设计动力装置安装架固定方式；

支架本体的底座为平板，平板通过紧固螺栓固定在自由射流风洞试验舱的地基上。

本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架，根据用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法进行设计，其特点是，所述的动力装置安装架包括支架本体和辅助定位机构；

支架本体包括支座框架、后定位调整环、前安装固定环、激波卸流窗口和次流排气口；

支座框架是由前支柱、后支柱、左支柱、右支柱、底座和加强筋拼焊而成的整体结构；支座框架的底座是水平放置的正方形的平板；前支柱是第一个竖直放置的平板，前支柱的宽度与底座的边长相等；左支柱是第二个竖直放置的平板，右支柱是第三个竖直放置的平板，左支柱和右支柱左右对称、相互平行、均垂直于前支柱，左支柱的外侧面和右支柱的外侧面之间的距离小于底座的边长；后支柱是第四个竖直放置的平板，后支柱平行于前支柱，后支柱位于左支柱和右支柱之间的夹缝内，前支柱的外侧面和后支柱的外侧面之间的距离小于底座的边长；前支柱、左支柱和右支柱凸出的部分，构成支架本体的前、后、左、右四个边角，四个边角的上端面，分别设置成两个安装面和两个定位基准面；在支座框架的内腔中，下部靠近底座的位置设置有水平的加强筋；

支架本体的前支柱、后支柱的上部，分别设置有前、后两个半圆形安装槽，依次为前安装固定环和后定位调整环；前安装固定环和后定位调整环的中心轴线重合；

支架本体的前支柱、后支柱的下部，加强筋的上方，分别设置有一个方形的激波卸流窗口和一个圆形的次流排气口，激波卸流窗口和次流排气口的中心轴线重合；

辅助定位机构包括前固定环、后固定环、横梁和安装定位凸台；前固定环和后固定环均为半圆环；前固定环对应前安装固定环、后固定环对应后定位调整环；前固定环和后固定环之间设置有左右对称的两根横梁；横梁上设置有与支架本体的前、后、左、右四个边角相对应的四个安装定位凸台，安装定位凸台通过精密螺钉固定安装在支架本体的前、后、左、右四个边角上设置的两个安装面和两个定位基准面上；

动力装置安装架通过穿过底座左右两个侧边、对称分布的紧固螺栓固定在自由射流风洞的地基上。

进一步地，在前固定环和前安装固定环组成的前圆环的环形定位面上，均匀分布有轴向紧固螺栓孔，在轴向紧固螺栓孔之间，交错均匀分布有轴向精密螺栓定位孔，轴向紧固螺栓孔的数量远大于轴向精密螺栓定位孔的数量；在后固定环和后定位调整环组成的后圆环的环形定位面上，均匀分布有轴向紧固螺栓孔，在轴向紧固螺栓孔之间，交错均匀分布有轴向精密螺栓定位孔，轴向紧固螺栓孔的数量远大于轴向精密螺栓定位孔的数量；

轴向紧固螺栓孔用于动力装置安装时的轴向压紧固定；精密螺栓定位孔用于动力装置快装时的精准导向和辅助定位；轴向紧固螺栓孔和精密螺栓定位孔用于安装过程中动力装置的位置姿态的精确调整与控制，以及前安装固定环和后定位调整环的中心轴线与自由射流风洞试验舱中心轴线的找正，同时协同完成动力装置与试验舱的对准工作。

本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法根据自由射流的试验特性，基于超高速转子动力学动态分析，识别出动力装置安装架在各频段内受内/外各种激振源作用下产生的振动响应和模态参数，并综合考虑超音速自由射流试验设备、测控方法及动力装置的空间几何等约束条件，突破自由射流引发的冲击振动和超高速转子旋转激发的受迫振动耦合，成功建立了一套专用于自由射流试验的动力装置安装架设计方法。

本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架结构简单、强度刚性好、安装精度高、工作稳定性好，便于拆装，可以满足动力装置的大马赫数自由射流试验需求。

附图说明

图1为本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架的结构示意图（立体图）；

图2为本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架中的支架本体结构示意图（立体图）；

图3为本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架中的支架本体结构示意图（剖面图）；

图4为本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架中的支架本体结构示意图（俯视图）；

图5为本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架中的辅助定位机构结构示意图（立体图）。

图中，1.支架本体；2.辅助定位机构；

101.支座框架；102.后定位调整环；103.前安装固定环；104.激波卸流窗口；105.次流排气口；106.精密螺钉；107.紧固螺栓；

1011.左支柱；1012.右支柱；1013.底座；1014.加强筋；

201.前固定环；202.后固定环；203.横梁；204.安装定位凸台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法，包括以下步骤：

S10.确定动力装置安装架的初始固有频率；

以动力装置在工作转速范围内不允许存在临界转速，或者动力装置的转子过临界转速时的振动极限满足安全共振裕度要求为目标，确定动力装置安装架的初始固有频率；

S20.设计动力装置安装架的空间几何结构和安装结构，将动力装置安装架分为支架本体1和辅助定位机构2两个部分；

依据初始固有频率，考虑大马赫数自由射流试验功能需求、试验装配工艺、测试要求、安装架刚度等约束因素，设计动力装置安装架的空间几何结构安装结构，将动力装置安装架分为支架本体1和辅助定位机构2两个部分；

S30.分别计算动力装置安装架的支架本体1和辅助定位机构2的固有频率与刚度；

分别计算动力装置安装架的支架本体1和辅助定位机构2的固有频率与刚度，直至动力装置和动力装置安装架整体的安全共振裕度不小于20%；

S40.详细设计动力装置安装架的支架本体1和辅助定位机构2；

支架本体1和辅助定位机构2按照安装精度高、工作稳定性好、便于拆装与维修的要求进行设计，工艺流程为先拼焊再机加；

S41.设计支架本体1；

支架本体1的前端面设计一个方形的激波卸流窗口104，后端面设计一个圆形的次流排气口105；激波卸流窗口104和次流排气口105，用于减少大马赫射流在自由射流风洞壁面形成涡流和降低扰力与冲击力；

支架本体1的前支柱、后支柱的上部，分别设计前、后两个半圆形安装槽，依次为前安装固定环103和后定位调整环102；

将支架本体1的前、后、左、右四个边角的上端面，设计成两个安装面和两个定位基准面；

S42.设计辅助定位机构2；

在辅助定位机构2的轴向，设计与支架本体1的两个半圆形安装槽相匹配两个半圆环；前固定环201对应前安装固定环103、后固定环202对应后定位调整环102；

将辅助定位机构2的前、后、左、右四个边角，设计成与支架本体1的两个安装面和两个定位基准面相对应的四个安装定位凸台204，四个安装定位凸台204通过精密螺钉106分别对应安装在支架本体1的上端面的前、后、左、右四个边角上；精密螺钉106具有压紧和限位作用；

S50.分别校核动力装置安装架的支架本体1和辅助定位机构2的固有频率与刚度，并确认动力装置安装架的空间几何结构和安装结构；

通过迭代计算，分别校核动力装置安装架的支架本体1和辅助定位机构2的固有频率与刚度，直至确定符合步骤S30的固有频率与刚度要求；

S60.设计动力装置安装架固定方式；

按照保证动力装置安装架的整体刚度、装配精度、工作稳定性，以及便于拆装与维修的要求，设计动力装置安装架固定方式；

支架本体1的底座1013为平板，平板通过紧固螺栓107固定在自由射流风洞试验舱的地基上。

如图1所示，本发明的用于自由射流试验的动力装置安装架包括支架本体1和辅助定位机构2；

如图2、图3所示，支架本体1包括支座框架101、后定位调整环102、前安装固定环103、激波卸流窗口104和次流排气口105；

支座框架101是由前支柱、后支柱、左支柱1011、右支柱1012、底座1013和加强筋1014拼焊而成的整体结构；支座框架101的底座1013是水平放置的正方形的平板；前支柱是第一个竖直放置的平板，前支柱的宽度与底座1013的边长相等；左支柱1011是第二个竖直放置的平板，右支柱1012是第三个竖直放置的平板，左支柱1011和右支柱1012左右对称、相互平行、均垂直于前支柱，左支柱1011的外侧面和右支柱1012的外侧面之间的距离小于底座1013的边长；后支柱是第四个竖直放置的平板，后支柱平行于前支柱，后支柱位于左支柱1011和右支柱1012之间的夹缝内，前支柱的外侧面和后支柱的外侧面之间的距离小于底座1013的边长；前支柱、左支柱1011和右支柱1012凸出的部分，构成支架本体1的前、后、左、右四个边角，四个边角的上端面，分别设置成两个安装面和两个定位基准面；在支座框架101的内腔中，下部靠近底座1013的位置设置有水平的加强筋1014；

支架本体1的前支柱、后支柱的上部，分别设置有前、后两个半圆形安装槽，依次为前安装固定环103和后定位调整环102；前安装固定环103和后定位调整环102的中心轴线重合；

支架本体1的前支柱、后支柱的下部，加强筋1014的上方，分别设置有一个方形的激波卸流窗口104和一个圆形的次流排气口105，激波卸流窗口104和次流排气口105的中心轴线重合；

如图5所示，辅助定位机构2包括前固定环201、后固定环202、横梁203和安装定位凸台204；前固定环201和后固定环202均为半圆环；前固定环201对应前安装固定环103、后固定环202对应后定位调整环102；前固定环201和后固定环202之间设置有左右对称的两根横梁203；横梁203上设置有与支架本体1的前、后、左、右四个边角相对应的四个安装定位凸台204，安装定位凸台204通过精密螺钉106固定安装在支架本体1的前、后、左、右四个边角上设置的两个安装面和两个定位基准面上；

如图4所示，动力装置安装架通过穿过底座1013左右两个侧边、对称分布的紧固螺栓107固定在自由射流风洞的地基上。

进一步地，在前固定环201和前安装固定环103组成的前圆环的环形定位面上，均匀分布有轴向紧固螺栓孔，在轴向紧固螺栓孔之间，交错均匀分布有轴向精密螺栓定位孔，轴向紧固螺栓孔的数量远大于轴向精密螺栓定位孔的数量；在后固定环202和后定位调整环102组成的后圆环的环形定位面上，均匀分布有轴向紧固螺栓孔，在轴向紧固螺栓孔之间，交错均匀分布有轴向精密螺栓定位孔，轴向紧固螺栓孔的数量远大于轴向精密螺栓定位孔的数量；

轴向紧固螺栓孔用于动力装置安装时的轴向压紧固定；精密螺栓定位孔用于动力装置快装时的精准导向和辅助定位；轴向紧固螺栓孔和精密螺栓定位孔用于安装过程中动力装置的位置姿态的精确调整与控制，以及前安装固定环103和后定位调整环102的中心轴线与自由射流风洞试验舱中心轴线的找正，同时协同完成动力装置与试验舱的对准工作。

实施例1

本实施例用于某小型动力装置，该小型动力装置的转速不超过70000转/分，该小型动力装置和小型动力装置安装架的整体固有频率不低于1180Hz；刚度满足要求。

该小型动力装置安装架的激波卸流窗口104的尺寸为100mm×80mm，次流排气口105的尺寸为φ100mm。前安装固定环103和后定位调整环102的轴向间距为120mm。精密螺钉106为M12螺钉，紧固螺栓107为φ14螺栓；每个环形定位面具有均匀分布的12个φ10的轴向紧固螺栓孔，和3个φ8的轴向精密螺栓定位孔。

该小型动力装置安装架的的固有频率调整范围可达1000Hz以上，能够成功避开小型动力装置在各种大马赫数射流试验下全工作转速范围内的临界转速，解决了动力装置安装架在超音速自由射流试验中出现的振动过大问题，具有较大的工程应用价值。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10.确定动力装置安装架的初始固有频率；

以动力装置在工作转速范围内不允许存在临界转速，或者动力装置的转子过临界转速时的振动极限满足安全共振裕度要求为目标，确定动力装置安装架的初始固有频率；

S20.设计动力装置安装架的空间几何结构和安装结构，将动力装置安装架分为支架本体（1）和辅助定位机构（2）两个部分；

依据初始固有频率，考虑大马赫数自由射流试验功能需求、试验装配工艺、测试要求和安装架刚度，设计动力装置安装架的空间几何结构安装结构，将动力装置安装架分为支架本体（1）和辅助定位机构（2）两个部分；

S30.分别计算动力装置安装架的支架本体（1）和辅助定位机构（2）的固有频率与刚度；

分别计算动力装置安装架的支架本体（1）和辅助定位机构（2）的固有频率与刚度，直至动力装置和动力装置安装架整体的安全共振裕度不小于20%；

S40.详细设计动力装置安装架的支架本体（1）和辅助定位机构（2）；

支架本体（1）和辅助定位机构（2）的工艺流程为先拼焊再机加；

S41.设计支架本体（1）；

支架本体（1）的前端面设计一个方形的激波卸流窗口（104），后端面设计一个圆形的次流排气口（105）；激波卸流窗口（104）和次流排气口（105），用于减少大马赫射流在自由射流风洞壁面形成涡流和降低扰力与冲击力；

支架本体（1）的前支柱、后支柱的上部，分别设计前、后两个半圆形安装槽，依次为前安装固定环（103）和后定位调整环（102）；

将支架本体（1）的前、后、左、右四个边角的上端面，设计成两个安装面和两个定位基准面；

S42.设计辅助定位机构（2）；

在辅助定位机构（2）的轴向，设计与支架本体（1）的两个半圆形安装槽相匹配两个半圆环；前固定环（201）对应前安装固定环（103）、后固定环（202）对应后定位调整环（102）；

将辅助定位机构（2）的前、后、左、右四个边角，设计成与支架本体（1）的两个安装面和两个定位基准面相对应的四个安装定位凸台（204），四个安装定位凸台（204）通过精密螺钉（106）分别对应安装在支架本体（1）的上端面的前、后、左、右四个边角上；精密螺钉（106）具有压紧和限位作用；

S50.分别校核动力装置安装架的支架本体（1）和辅助定位机构（2）的固有频率与刚度，并确认动力装置安装架的空间几何结构和安装结构；

通过迭代计算，分别校核动力装置安装架的支架本体（1）和辅助定位机构（2）的固有频率与刚度，直至确定符合步骤S30的固有频率与刚度要求；

S60.设计动力装置安装架固定方式；

按照保证动力装置安装架的整体刚度、装配精度、工作稳定性，以及便于拆装与维修的要求，设计动力装置安装架固定方式；

支架本体（1）的底座（1013）为平板，平板通过紧固螺栓（107）固定在自由射流风洞试验舱的地基上。

2.一种用于自由射流试验的动力装置安装架，动力装置安装架根据权利要求1所述的用于自由射流试验的动力装置安装架的设计方法进行设计，其特征在于，所述的动力装置安装架包括支架本体（1）和辅助定位机构（2）；

支架本体（1）包括支座框架（101）、后定位调整环（102）、前安装固定环（103）、激波卸流窗口（104）和次流排气口（105）；

支座框架（101）是由前支柱、后支柱、左支柱（1011）、右支柱（1012）、底座（1013）和加强筋（1014）拼焊而成的整体结构；支座框架（101）的底座（1013）是水平放置的正方形的平板；前支柱是第一个竖直放置的平板，前支柱的宽度与底座（1013）的边长相等；左支柱（1011）是第二个竖直放置的平板，右支柱（1012）是第三个竖直放置的平板，左支柱（1011）和右支柱（1012）左右对称、相互平行、均垂直于前支柱，左支柱（1011）的外侧面和右支柱（1012）的外侧面之间的距离小于底座（1013）的边长；后支柱是第四个竖直放置的平板，后支柱平行于前支柱，后支柱位于左支柱（1011）和右支柱（1012）之间的夹缝内，前支柱的外侧面和后支柱的外侧面之间的距离小于底座（1013）的边长；前支柱、左支柱（1011）和右支柱（1012）凸出的部分，构成支架本体（1）的前、后、左、右四个边角，四个边角的上端面，分别设置成两个安装面和两个定位基准面；在支座框架（101）的内腔中，下部靠近底座（1013）的位置设置有水平的加强筋（1014）；

支架本体（1）的前支柱、后支柱的上部，分别设置有前、后两个半圆形安装槽，依次为前安装固定环（103）和后定位调整环（102）；前安装固定环（103）和后定位调整环（102）的中心轴线重合；

支架本体（1）的前支柱、后支柱的下部，加强筋（1014）的上方，分别设置有一个方形的激波卸流窗口（104）和一个圆形的次流排气口（105），激波卸流窗口（104）和次流排气口（105）的中心轴线重合；

辅助定位机构（2）包括前固定环（201）、后固定环（202）、横梁（203）和安装定位凸台（204）；前固定环（201）和后固定环（202）均为半圆环；前固定环（201）对应前安装固定环（103）、后固定环（202）对应后定位调整环（102）；前固定环（201）和后固定环（202）之间设置有左右对称的两根横梁（203）；横梁（203）上设置有与支架本体（1）的前、后、左、右四个边角相对应的四个安装定位凸台（204），安装定位凸台（204）通过精密螺钉（106）固定安装在支架本体（1）的前、后、左、右四个边角上设置的两个安装面和两个定位基准面上；

动力装置安装架通过穿过底座（1013）左右两个侧边、对称分布的紧固螺栓（107）固定在自由射流风洞的地基上。

3.根据权利要求2所述的用于自由射流试验的动力装置安装架，其特征在于，在前固定环（201）和前安装固定环（103）组成的前圆环的环形定位面上，均匀分布有轴向紧固螺栓孔，在轴向紧固螺栓孔之间，交错均匀分布有轴向精密螺栓定位孔；在后固定环（202）和后定位调整环（102）组成的后圆环的环形定位面上，均匀分布有轴向紧固螺栓孔，在轴向紧固螺栓孔之间，交错均匀分布有轴向精密螺栓定位孔；

轴向紧固螺栓孔用于动力装置安装时的轴向压紧固定；精密螺栓定位孔用于动力装置快装时的精准导向和辅助定位；轴向紧固螺栓孔和精密螺栓定位孔用于安装过程中动力装置的位置姿态的精确调整与控制，以及前安装固定环（103）和后定位调整环（102）的中心轴线与自由射流风洞试验舱中心轴线的找正，同时协同完成动力装置与试验舱的对准工作。

Images