CN116242597A - 航空发动机弹性支承结构力传递测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

航空发动机弹性支承结构力传递测试装置及方法，包括鼠笼、弹性环、轴承座、支座、挤压油膜支座、密封、鼠笼测试传感器、弹性环测试传感器和测试系统。步骤一，传感器布置；步骤二，载荷参数标定；步骤三，弹性环油压补偿标定；步骤四，弹性支承结构力传递试验。本发明的航空发动机弹性支承结构力分配及传递的测试方法与装置，能够实现弹性鼠笼、挤压油膜阻尼器弹性环等多路径力学传递测试，对于含挤压油膜阻尼器弹性环和弹性鼠笼结构弹支支承结构可以有效获取径向载荷在多种弹性元件间力的分配以及传递规律。

Description

航空发动机弹性支承结构力传递测试装置与方法

技术领域

本发明涉及旋转机械中航空发动机、燃气涡轮发动机领域。

背景技术

航空发动机弹性支承结构具有复杂弹性支承结构(如鼠笼式结构、挤压油膜阻尼器内弹性环)用于综合调整临界转速保证转子系统运行稳定性，使系统变形尽量发生在弹性支承上，来保障航空发动机转子系统运转稳定性。转子产生不平衡等力在不同弹性元件变形不同，导致不同弹性元件承受力以及传递力也存在较大差异，而准确的弹性支承结构(鼠笼、弹性环)载荷分布对于弹性结构设计需要重要意义，因此需要航空发动机弹性支承结构内部弹性元件力学分布及传力有效测试具有重要意义。

针对弹性支承力学测试，李洪美(论文：航空发动机弹支-测力环双向轴向力测试方法，航空动力学报)提出了弹支轴向力传感器进行轴向载荷的辨识方法，王美令(专利：基于弹支鼠笼应变的转子支点载荷辨识实验装置及方法)提出了基于鼠笼应变的支点载荷测试方法(包括轴向、径向载荷)，还有部分采用内置测力环的方式进行轴向载荷测试，如袁雪(论文：航空发动机转子轴向力动态特征测试技术)、杜建(论文：航空发动机角接触球轴承轴向力间接测量方法)、卢艳辉(论文：弹性环法在测量航空涡轴发动机角接触球轴承轴向力中的应用)以及弹性支承器振动应变监测方法(专利号201410282663.7)等文献。但是多数限于对于弹支鼠笼所承受载荷辨识，或者使用测力环进行轴向载荷测试，而忽略了挤压油膜阻尼器内部弹性环承对径向载荷力测试方法，因此对于含挤压油膜阻尼器弹性环和弹性鼠笼结构弹支支承结构难以有效获取径向载荷在多种弹性元件间力的分配以及传递规律。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提出了一种航空发动机弹性支承结构力分配及传递的测试方法与装置，能够实现弹性鼠笼、挤压油膜阻尼器弹性环等多路径力学传递测试，从而用于揭示复杂工况下多种弹性元件间的传力机理。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：航空发动机弹性支承结构力传递测试装置，包括鼠笼1、弹性环2、轴承座3、支座4、挤压油膜支座5、密封6、鼠笼测试传感器7、弹性环测试传感器8和测试系统9，鼠笼1一端与支座4固定连接，轴承座3与鼠笼1另一端固定连接，支承轴承安装于轴承座3内部，挤压油膜支座5与支座4固定连接并与轴承座3存在间隙，轴承座3安装密封6，轴承座3、固定支座5和密封6组成的密封式间隙结构内部安装弹性环2，挤压油膜支座5上设有进油口和回油口；鼠笼笼条上安装鼠笼测试传感器7，弹性环2上安装弹性环测试传感器8，鼠笼测试传感器7和弹性环测试传感器8连接测试系统9。

所述鼠笼测试传感器7布置于鼠笼1笼条根部，鼠笼测试传感器7采用半桥或者全桥布置，半桥设置中测试应变片R1布置于笼条根部，补偿应变片R2布置到安装边处；全桥布置中在笼条两侧根部上下表面分别布置一个应变片R1、R2、R3、R4组成全桥。

所述弹性环2外表面设有内凸台和外凸台，其内凸台与轴承座3外表面接触，外凸台与挤压油膜支座5内表面接触；弹性环测试传感器8采用半桥或者全桥布置，半桥布置中测试应变片R1布置于弹性环凸台根部，补偿应变片R2布置到凸台背面处；全桥布置中在凸台根部两侧分别布置一个应变片R1、R2、R3、R4共同组成全桥。

所述鼠笼1布置鼠笼测试传感器7的笼条与弹性环2布置弹性环测试传感器8凸台轴线在径向平面角度重合。

所述挤压油膜支座5端面设置用于传感器出线的出线孔，出线孔填充环氧树脂胶。

航空发动机弹性支承结构力传递测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，传感器布置，鼠笼笼条上安装鼠笼测试传感器7，弹性环2上安装弹性环测试传感器8；

步骤二，载荷参数标定：

(1)不安装挤压油膜阻尼器对轴承座施加径向载荷标定试验，获得鼠笼测试传感器数据ε_s0，采用最小二乘法数据拟合方法，获得鼠笼灵敏度系数K_s＝F₀/ε_s0，F₀为径向载荷；

(2)不安装鼠笼对轴承座施加径向载荷标定试验，获得弹性环测试传感器数据ε_t0，采用最小二乘法数据拟合方法，获得弹性环灵敏度系数K_t＝F₀/ε_t0；

步骤三，弹性环油压补偿标定：将挤压油膜阻尼器油孔接上压力表，在挤压油膜阻尼器另一侧进油口通入压力油，并与实际运行压力相一致，记录出不同压力下弹性环传感器的应变数值ε_ty。

步骤四，弹性支承结构力传递试验：

航空发动机弹性支承结构力传递测试装置挤压油膜阻尼器施加压力，并采用压力表监控压力，对轴承座内的轴承施加径向载荷，获取鼠笼测试传感器数据ε_s和弹性环测试传感器数据ε_t，

鼠笼力承载力为F_s＝K_sε_s

弹性环承载力为F_t＝K_t(ε_t-ε_ty)。

所述步骤一中，鼠笼测试传感器7布置于鼠笼1笼条根部，鼠笼测试传感器7采用半桥或者全桥布置，半桥设置中测试应变片R1布置于笼条根部，补偿应变片R2布置到安装边处；全桥布置中在笼条两侧根部上下表面分别布置一个应变片R1、R2、R3、R4组成全桥。

所述步骤一中，弹性环2外表面设有内凸台和外凸台，其内凸台与轴承座3外表面接触，外凸台与挤压油膜支座5内表面接触；弹性环测试传感器8采用半桥或者全桥布置，半桥布置中测试应变片R1布置于弹性环凸台根部，补偿应变片R2布置到凸台背面处；全桥布置中在凸台根部两侧分别布置一个应变片R1、R2、R3、R4共同组成全桥。

所述步骤一中，鼠笼1布置鼠笼测试传感器7的笼条与弹性环2布置弹性环测试传感器8凸台轴线在径向平面角度重合。

本发明的航空发动机弹性支承结构力分配及传递的测试方法与装置，能够实现弹性鼠笼、挤压油膜阻尼器弹性环等多路径力学传递测试，对于含挤压油膜阻尼器弹性环和弹性鼠笼结构弹支支承结构可以有效获取径向载荷在多种弹性元件间力的分配以及传递规律。

附图说明

图1(a)是本发明的弹性支承结构三维结构示意图；

图1(b)是本发明的弹性支承结构剖视结构及其力传递示意图；

图2是本发明航空发动机弹性支承结构力传递测试装置总体结构图；

图3(a)是本发明鼠笼测试传感器半桥测试安装结构图；

图3(b)是本发明鼠笼测试传感器半桥测试布置示意图；

图3(c)是本发明鼠笼测试传感器全桥测试安装结构图；

图3(d)是本发明鼠笼测试传感器全桥测试布置示意图；

图4(a)是本发明弹性环测试传感器半桥测试安装图；

图4(b)是本发明弹性环测试传感器半桥测试布置示意图；

图4(c)是本发明弹性环测试传感器全桥测试安装结构图；

图4(d)是本发明弹性环测试传感器全桥测试布置示意图；

图5是本发明弹性环与鼠笼测试传感器空间位置示意图；

图6(a)是本发明鼠笼测试传感器力学标定示意图；

图6(b)是本发明弹性环测试传感器力学标定示意图；

图7是本发明弹性环油压标定补偿示意图。

图中：1、鼠笼，2、弹性环，3、轴承，4、支座，5、挤压油膜支座，6、密封，7、鼠笼测试传感器，8、弹性环测试传感器，9、测试系统。

具体实施方式

如图1(a)和1(b)所示，航空发动机弹性支承结构主要包括：鼠笼1、弹性环2、轴承座3、支座4、挤压油膜支座5和密封6，其中轴承座3与挤压油膜支座5以及密封6组成的密封式间隙结构内部充油成为挤压油膜阻尼器，内置弹性环2。其轴承座在径向载荷作用下产生的径向位移主要由两部分承受，一部分通过鼠笼弹性变形传递到支座4，另一部分通过轴承座3压紧挤压油膜阻尼器使弹性环2产生弹性变形传递到挤压油膜支座5，挤压油膜支座5和支座4都固定在连接支点上，两部分支承刚度共同组成了弹性支承结构承力结构，因此当径向载荷作用下，力在两个弹性结构传递力。

鼠笼1具有若干根笼条，单根笼条可等效为悬臂梁结构，当端部受径向载荷时，将会对笼条根部产生较大应变，因此可以通过笼条根部应变测试表征径向受力。弹性环2外表面等具有内外凸台，其内凸台与轴承座3外表面接触，外凸台与固定支座5内表面接触，两端接触可等效为简支梁结构，轴承座产生位移后会时弹性环变形，在凸台根部(简支梁根部)产生较大应变，因此可通过该处测试获取径向受力。

如图2所示，航空发动机弹性支承结构力传递测试装置总体组成，包括：鼠笼1、弹性环2、轴承座3、支座4、挤压油膜支座5、密封6、鼠笼测试传感器7、弹性环测试传感器8和测试系统9等。鼠笼1与支座4通过螺栓固定连接，轴承座3与鼠笼1通过螺栓固定连接，支承轴承安装固定于轴承座3内部，用于支承转子旋转。挤压油膜支座5与支座4通过螺栓固定连接，并与轴承座3存在一定间隙，构成挤压油膜阻尼器。轴承座3有密封凹槽用于安装密封6，用于密封挤压油膜阻尼器的压力油。挤压油膜支座5的进油口、回油口设有液压接头，用于连接液压管路，使液压油产生流动，耗散转子振动产生的能量。鼠笼测试传感器7布置于鼠笼笼条根部，用于测试鼠笼笼条根部应变，传感器为应变片。弹性环测试传感器8布置于弹性环凸台根部，用于测试弹性环凸台根部应变，传感器为应变片。挤压油膜支座5端面设置出线孔，用于传感器出线，安装完毕后，采用环氧树脂胶将出线孔填平。

弹性支承结构力传递测试装置与方法，包括传感器布置、载荷参数标定、弹性环油压补偿标定。传感器布置用于分别获取鼠笼以及弹性环应变数据；载荷参数标定用于标定不同径向载荷下各个测点应变参数间关系；弹性环油压补偿标定是由于弹性环测试时油压油膜阻尼器有压力，排除压力的影响，使弹性环测试结果更加准确。

弹性支承结构力传递测试方法如下：

步骤一，传感器布置：

如图3所示，本发明选择笼条根部位置作为主要测试点，同时为了避免温度影响，采用二分一(半桥)或者全桥布置。以二分之一桥为例，测试应变片R1布置于笼条根部，补偿应变片R2布置到应变变形量较小处，靠近安装边处，如图3(a)和3(b)所示。而全桥布置将在笼条两侧根部上下表面(R1、R2、R3、R4)分别布置一个应变片，共同组成全桥，如图3(c)和3(d)所示。

如图4所示，本发明选择弹性环凸台根部位置作为主要测试点，同时为了避免温度影响，采用二分一或者全桥布置。以二分之一桥为例，测试应变片布置于应变片根部R1，补偿应变片R2布置到应变变形量较小处，凸台背面处，如图4(a)和4(b)所示。而全桥布置将在凸台根部两侧根部分别布置一个应变片(R1、R2、R3、R4)，共同组成全桥，如图4(c)和4(d)所示。

如图5所示，本发明鼠笼布置传感器的笼条应与弹性环布置传感器凸台轴线在径向平面角度重合，保证凸台传力以及笼条承力方向相吻合，保障测试精度。

步骤二，载荷参数标定：

(1)结合图6(a)，不安装挤压油膜阻尼器对轴承座施加径向载荷标定试验，获得鼠笼测试传感器数据ε_s0，采用最小二乘法数据拟合方法，获得鼠笼灵敏度系数K_s＝F₀/ε_s0，F₀为径向载荷；

(2)结合图6(b)，不安装鼠笼对轴承座施加径向载荷标定试验，获得弹性环测试传感器数据ε_t0，采用最小二乘法数据拟合方法，获得弹性环灵敏度系数K_t＝F₀/ε_t0。

步骤三，弹性环油压补偿标定：

结合图7，将挤压油膜阻尼器油孔接上压力表，在挤压油膜阻尼器另一侧进油口通入压力油，并与实际运行压力相一致，记录出不同压力下弹性环传感器的应变数值ε_ty。

步骤四，弹性支承结构力传递试验：

航空发动机弹性支承结构力传递测试装置挤压油膜阻尼器施加压力，并采用压力表监控压力，对轴承座内的轴承施加径向载荷，获取鼠笼测试传感器数据ε_s和弹性环测试传感器数据ε_t。

鼠笼力承载力为F_s＝K_sε_s

弹性环承载力为F_t＝K_t(ε_t-ε_ty)。

进而获得在径向载荷作用航空发动机弹性支承结构力传递力的大小。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.航空发动机弹性支承结构力传递测试装置，其特征在于：包括鼠笼(1)、弹性环(2)、轴承座(3)、支座(4)、挤压油膜支座(5)、密封(6)、鼠笼测试传感器(7)、弹性环测试传感器(8)和测试系统(9)，鼠笼(1)一端与支座(4)固定连接，轴承座(3)与鼠笼(1)另一端固定连接，支承轴承安装于轴承座(3)内部，挤压油膜支座(5)与支座(4)固定连接并与轴承座(3)存在间隙，轴承座(3)安装密封(6)，轴承座(3)、固定支座(5)和密封(6)组成的密封式间隙结构内部安装弹性环(2)，挤压油膜支座(5)上设有进油口和回油口；鼠笼笼条上安装鼠笼测试传感器(7)，弹性环(2)上安装弹性环测试传感器(8)，鼠笼测试传感器(7)和弹性环测试传感器(8)连接测试系统(9)。

2.根据权利要求1所述的航空发动机弹性支承结构力传递测试装置，其特征在于：所述鼠笼测试传感器(7)布置于鼠笼(1)笼条根部，鼠笼测试传感器(7)采用半桥或者全桥布置，半桥设置中测试应变片(R1)布置于笼条根部，补偿应变片(R2)布置到安装边处；全桥布置中在笼条两侧根部上下表面分别布置一个应变片(R1、R2、R3、R4)组成全桥。

3.根据权利要求1所述的航空发动机弹性支承结构力传递测试装置，其特征在于：所述弹性环(2)外表面设有内凸台和外凸台，其内凸台与轴承座(3)外表面接触，外凸台与挤压油膜支座(5)内表面接触；弹性环测试传感器(8)采用半桥或者全桥布置，半桥布置中测试应变片(R1)布置于弹性环凸台根部，补偿应变片(R2)布置到凸台背面处；全桥布置中在凸台根部两侧分别布置一个应变片(R1、R2、R3、R4)共同组成全桥。

4.根据权利要求1所述的航空发动机弹性支承结构力传递测试装置，其特征在于：所述鼠笼(1)布置鼠笼测试传感器(7)的笼条与弹性环(2)布置弹性环测试传感器(8)凸台轴线在径向平面角度重合。

5.根据权利要求1所述的航空发动机弹性支承结构力传递测试装置，其特征在于：所述挤压油膜支座(5)端面设置用于传感器出线的出线孔，出线孔填充环氧树脂胶。

6.航空发动机弹性支承结构力传递测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，传感器布置，鼠笼笼条上安装鼠笼测试传感器(7)，弹性环(2)上安装弹性环测试传感器(8)；

步骤二，载荷参数标定：

(1)不安装挤压油膜阻尼器对轴承座施加径向载荷标定试验，获得鼠笼测试传感器数据ε_s0，采用最小二乘法数据拟合方法，获得鼠笼灵敏度系数K_s＝F₀/ε_s0，F₀为径向载荷；

(2)不安装鼠笼对轴承座施加径向载荷标定试验，获得弹性环测试传感器数据ε_t0，采用最小二乘法数据拟合方法，获得弹性环灵敏度系数K_t＝F₀/ε_t0；

步骤三，弹性环油压补偿标定：将挤压油膜阻尼器油孔接上压力表，在挤压油膜阻尼器另一侧进油口通入压力油，并与实际运行压力相一致，记录出不同压力下弹性环传感器的应变数值ε_ty；

步骤四，弹性支承结构力传递试验：

航空发动机弹性支承结构力传递测试装置挤压油膜阻尼器施加压力，并采用压力表监控压力，对轴承座内的轴承施加径向载荷，获取鼠笼测试传感器数据ε_s和弹性环测试传感器数据ε_t，

鼠笼力承载力为F_s＝K_sε_s

弹性环承载力为F_t＝K_t(ε_t-ε_ty)。

7.根据权利要求6所述的航空发动机弹性支承结构力传递测试方法，其特征在于：所述步骤一中，鼠笼测试传感器(7)布置于鼠笼(1)笼条根部，鼠笼测试传感器(7)采用半桥或者全桥布置，半桥设置中测试应变片(R1)布置于笼条根部，补偿应变片(R2)布置到安装边处；全桥布置中在笼条两侧根部上下表面分别布置一个应变片(R1、R2、R3、R4)组成全桥。

8.根据权利要求6所述的航空发动机弹性支承结构力传递测试方法，其特征在于：所述步骤一中，弹性环(2)外表面设有内凸台和外凸台，其内凸台与轴承座(3)外表面接触，外凸台与挤压油膜支座(5)内表面接触；弹性环测试传感器(8)采用半桥或者全桥布置，半桥布置中测试应变片(R1)布置于弹性环凸台根部，补偿应变片(R2)布置到凸台背面处；全桥布置中在凸台根部两侧分别布置一个应变片(R1、R2、R3、R4)共同组成全桥。

9.根据权利要求6所述的航空发动机弹性支承结构力传递测试方法，其特征在于：所述步骤一中，鼠笼(1)布置鼠笼测试传感器(7)的笼条与弹性环(2)布置弹性环测试传感器(8)凸台轴线在径向平面角度重合。

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