CN116412963A - 组合转子不平衡量估算方法以及组合转子平衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合转子不平衡量估算方法以及组合转子平衡方法,该组合转子不平衡量估算方法包括以下步骤:获得所述组合转子的跳动偏心量;将第一转子简化为表征其旋转轴的第一轴线、将第二转子简化为表征其旋转轴的第二轴线;定义第一轴线和第二轴线分离端的连线为第三轴线,并使第一轴线和第二轴线相接端与所述第三轴线间的距离等于所述跳动偏心量的量化长度,由此构成组合转子的简化模型;结合组合转子、第一转子和第二转子的几何参数以及重量参数计算得出所述组合转子的不平衡量。本发明通过建立组合转子的简化模型,基于几何代数理论和平衡矢量合成法则计算得出组合转子的不平衡量,无需对组合转子开展组合平衡,简化了操作工艺。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机领域,尤其涉及一种组合转子不平衡量估算方法以及组合转子平衡方法。
背景技术
航空发动机高压转子单元体目前主要采用模拟平衡工艺和组合平衡工艺方法。
采用模拟平衡工艺就是指用模拟转子替代真实转子与另一转子组装后进行动平衡,被平衡后的两个真实转子直接进入到后续的发动机总装装配过程。模拟平衡工艺中的关键要素是模拟转子,为保证平衡质量,对模拟转子的制造精度要求非常高,而且模拟转子在长期使用过程中的维护要求也高,造成平衡工装成本高昂。
采用组合平衡工艺就是指先用常规平衡工装分别平衡并校正两个维修单元体单子,然后将两个转子组装到一起进行组合平衡,并使其最终满足设计要求的剩余不平衡量范围。这种方法需要不仅需要分别对单个转子进行平衡操作,还要对组合转子进行平衡,工艺复杂,操作繁琐。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有模拟平衡工艺成本高昂,组合平衡工艺工艺繁琐的缺陷,提供了一种组合转子不平衡量估算方法和转子平衡方法。
本发明通过以下方式解决该技术问题:
一种组合转子不平衡量估算方法,所述组合转子由第一转子和第二转子拼接构成,包括以下步骤:
获得所述组合转子位于第一转子和第二转子结合面处的跳动偏心量;
将第一转子简化为表征其旋转轴的第一轴线、将第二转子简化为表征其旋转轴的第二轴线;
使所述第一轴线和第二轴线的一端相接,另一端分离,定义所述第一轴线和第二轴线分离端的连线为第三轴线,并使第一轴线和第二轴线相接端与所述第三轴线间的距离等于所述跳动偏心量的量化长度,由此构成所述组合转子的简化模型;
结合所述简化模型、第一转子和第二转子的几何参数以及第一转子和第二转子的重量参数计算得出所述组合转子的不平衡量。
本发明通过建立组合转子的简化模型,基于几何代数理论和平衡矢量合成法则计算得出组合转子的不平衡量,然后直接在平衡校正面上实施校正,无需再上平衡机开展组合平衡,简化了操作工艺,提高了效率,降低了成本。
优选的,所述不平衡量包括静不平衡量,结合所述简化模型、第一转子和第二转子的几何参数以及第一转子和第二转子的重量参数计算得出所述组合转子的不平衡量的步骤包括:
获得几何参数L11、L21、L12、L22,其中,L11为第一转子位于第一轴线上的重心到第一轴线分离端间的距离,L12为第一转子位于第一轴线上的重心到第一轴线相接端间的距离,L21为第二转子位于第二轴线上的重心到第二轴线相接端间的距离,L22为第二转子位于第二轴线上的重心到第二轴线分离端间的距离;
根据简化模型的几何关系和静不平衡量公式得到第一转子的重量m1、第二转子的重量m2、跳动偏心量S、L11、L21、L12、L22与组合转子静不平衡量Us之间的关系。
由此,实现了对组合转子静不平衡量的计算。
优选的,得到m1、m2、S、L11、L21、L12、L22与US之间关系的步骤还包括:
引入中间参数R1H、R2H,其中,R1H为第一转子的重心到第三轴线间的距离,R2H为第二转子的重心到第三轴线间的距离;
建立R1H和L11、L12、S之间的几何关系,R2H和L21、L22、S之间的几何关系;
建立第一转子的静不平衡量Us1和m1、R1H间的几何关系,第二转子的静不平衡量Us2和m2、R2H之间的几何关系;
联立消解R1H、R2H;
根据消解R1H、R2H后的Us1、Us2得到组合转子的静不平衡量Us和m1、m2、S、L11、L21、L12、L22间的关系。
通过引入中间参数简化了静不平衡量的计算过程,进一步提高了计算效率。
优选的,所述不平衡量包括偶不平衡量,结合所述简化模型、第一转子和第二转子的几何参数以及第一转子和第二转子的重量参数计算得出所述组合转子的不平衡量的步骤包括:
根据第一转子的重量m1及其几何参数获得ΔJ1,ΔJ1为第一转子直径转动惯量与极转动惯量的差值,根据第二转子的重量m2及其几何参数获得ΔJ2,ΔJ2为第二转子直径转动惯量与极转动惯量的差值;
获得简化模型的几何参数L11、L21、L12、L22,其中,L11为第一转子位于第一轴线上的重心到第一轴线分离端间的距离,L12为第一转子位于第一轴线上的重心到第一轴线相接端间的距离,L21为第二转子位于第二轴线上的重心到第二轴线相接端间的距离,L22为第二转子位于第二轴线上的重心到第二轴线分离端间的距离;
根据简化模型的几何关系和偶不平衡量公式得到ΔJ1、m1、ΔJ2、m2、L11、L21、L12、L22、跳动偏心量S与组合转子偶不平衡量Uc之间的关系。
由此,实现了对组合转子偶不平衡量的计算。
优选的,得到ΔJ1、m1、ΔJ2、m2、L11、L21、L12、L22、S与组合转子偶不平衡量Uc之间关系的步骤包括:
引入中间参数R1H、R2H、α、β,其中,R1H为第一转子的重心到第三轴线间的距离,R2H为第二转子的重心到第三轴线间的距离,α为第一轴线与第三轴线间的夹角,β为第二轴线和第三轴线间的夹角;
建立R1H和L11、L12、S之间的几何关系,α和L11、L12、S之间的几何关系,R2H和L21、L22、S之间的几何关系,β和L21、L22、S之间的几何关系。
建立第一转子的偶不平衡量Uc1和α、ΔJ1间的关系,第二转子的偶不平衡量Uc2和β、ΔJ2之间的关系;
根据偶不平衡量公式得到组合转子的偶不平衡量Uc与Uc1、Uc2、m1、m2、L12、L21、R1H、R2H间的关系;
联立消解R1H、R2H、α、β以得到Uc和ΔJ1、m1、ΔJ2、m2、L11、L21、L12、L22、S之间的关系。
通过引入中间参数简化了偶不平衡量的计算,进一步提高了计算效率。
本发明还提供了一种组合转子平衡方法,包括以下步骤:
得到组合转子的偏心角度δ;
根据上文所述的组合转子不平衡量估算方法得到组合转子的静不平衡量Us和偶不平衡量Uc;
根据δ、Us以及用于安装静不平衡配重块的第一安装面的几何关系得到静不平衡配重块的质量和安装位置;
根据Uc的转动方向以及用于安装偶不平衡配重块的第二安装面的几何关系得到偶不平衡配重块的质量和安装位置。
由此,能够基于计算得到的静不平衡量和偶不平衡量计算出配重块的质量和安装位置。
优选的,所述第一安装面为所述组合转子的结合面。
由此,可使组合转子的校正面不与第一转子和第二转子的校正面重叠,避免违背分布平衡原则。
优选的,根据所述第一安装面的几何关系得到静不平衡配重块质量和安装位置的步骤包括:
测得第一安装面上的安装位到所述组合转子轴线间的距离r,
根据所述r和Us计算得到所述静不平衡配重块的质量。
优选的,所述第二安装面包括所述第一转子的非结合端面和所述第二转子的非结合端面。
优选的,根据所述第二安装面的几何关系得到偶不平衡配重块质量的步骤包括:
测得第一转子非结合端面上的安装位和第二转子非结合端面上的安装位间的跨距L;
测得第一转子非结合端面上的安装位到组合转子轴线间的距离rfront,第二转子非结合端面上的安装位到组合转子轴线间的距离rafter;
根据L、rfront、rafter和Uc计算出装设在第一转子非结合端面上的偶不平衡配重块质量和装设在第二转子非结合端面上的偶不平衡配重块质量。
本发明通过建立组合转子的简化模型,基于几何代数理论和平衡矢量合成法则计算得出组合转子的不平衡量,然后直接在平衡校正面上实施校正,无需再上平衡机开展组合平衡,简化了操作工艺,提高了效率,降低了成本。
附图说明
图1为组合转子的平面视图
图2为简化模型的视图;
图3为跳动偏心量S以及偏心角度δ在结合面上的表征视图;
附图标记说明:
第一转子 10
第二转子 20
第一轴线 100
第二轴线 200
第三轴线 300
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明,但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
如图1所示,本发明提供了一种组合转子不平衡量估算方法,该组合转子由第一转子10和第二转子20拼接构成。在本发明中,该第一转子10为高压压气机维修单元体转子,该第二转子20为高压涡轮维修单元体转子。第一转子10和第二转子20之间具有结合面以能够拼接构成该组合转子。
该组合转子不平衡量估算方法具体包括以下步骤:
结合图1和图3,获得组合转子位于第一转子10和第二转子20结合面处的跳动偏心量S以及偏心角度δ,具体的来说,是将组合转子放在平衡机或专用工装上,手动匀速转动转子,并使用百分表/千分表/位移传感器测量组合转子结合面处的整圈跳动值,该结合面为图1中所示的外圆柱面(R1面)或者内圆柱面(R2面),然后,按照最小二乘法拟合出结合面处的偏心量S和偏心角度δ,该偏心量S为拟合出的圆心与组合转子轴心之间的距离,该偏心角度δ为拟合出的圆心与轴线连线在结合面坐标系中的夹角;
结合图2,将第一转子10简化为表征其旋转轴的第一轴线100,该第一轴线100的长度与第一转子10的长度一致,将第二转子20简化为表征其旋转轴的第二轴线200,该第二轴线200的长度与第二转子20的长度一致;
使第一轴线100和第二轴线200的一端相接,另一端分离,定义第一轴线100和第二轴线200分离端的连线为第三轴线300,并使第一轴线100和第二轴线200相接端与第三轴线300间的距离等于跳动偏心量的量化长度,由此构成组合转子的简化模型,其中,该第三轴线300用于表征组合转子的旋转轴;
结合该简化模型、第一转子10和第二转子20的几何参数以及第一转子10和第二转子20的重量参数计算得出组合转子的不平衡量。
本发明通过建立组合转子的简化模型,基于几何代数理论和平衡矢量合成法则计算得出组合转子的不平衡量,然后直接在平衡校正面上实施校正,无需再上平衡机开展组合平衡,简化了操作工艺,提高了效率,降低了成本。
在本实施例中,该不平衡量包括静不平衡量,结合简化模型、第一转子10和第二转子20的几何参数以及第一转子10和第二转子20的重量参数计算得出该静不平衡量的步骤包括:
获得几何参数L11、L21、L12、L22,其中,L11为第一转子10位于第一轴线100上的重心到第一轴线100分离端间的距离,L12为第一转子10位于第一轴线100上的重心到第一轴线100相接端间的距离,L21为第二转子20位于第二轴线200上的重心到第二轴线200相接端间的距离,L22为第二转子20位于第二轴线200上的重心到第二轴线200分离端间的距离;
根据简化模型的几何关系和静不平衡量公式得到第一转子10的重量m1、第二转子20的重量m2、跳动偏心量S、L11、L21、L12、L22与组合转子静不平衡量Us之间的关系,该静不平衡量Us满足以下关系:
具体在本实施例中,得到上述公式(1)的步骤包括:
引入中间参数R1H、R2H,其中,R1H为第一转子10的重心到第三轴线300间的距离,R2H为第二转子20的重心到第三轴线300间的距离;
建立R1H和L11、L12、S之间的几何关系,R2H和L21、L22、S之间的几何关系,其满足以下公式:
以上公式可由相似三角形定理得出,此处不再进一步赘述;
建立第一转子10的静不平衡量Us1和m1、R1H间的几何关系,第二转子20的静不平衡量Us2和m2、R2H之间的几何关系,其满足以下公式:
Us1=m1*R1H (4)
Us2=m2*R2H (5)
通过联立公式(2)、(3)、(4)和(5)消解消解R1H、R2H;
根据Us1、Us2得到组合转子的静不平衡量Us和m1、m2、S、L11、L21、L12、L22间的关系,其满足以下公式:
需要说明的是,在本发明中,定义该静不平衡量位于第三轴线300上方的为正,位于第三轴线300下方的为负,在本实施例中由于第一转子10和第二转子20的重心均位于第三轴线300的同一侧,因此在公式(6)中对第一转子10和第二转子20的不平衡量进行相加处理。
通过引入中间参数R1H,R2H,简化了静不平衡量的计算过程,进一步提高了计算效率。
在本实施例中,该组合转子的不平衡量还包括偶不平衡量,结合简化模型、第一转子10和第二转子20的几何参数以及第一转子10和第二转子20的重量参数计算得出该偶不平衡量的步骤包括:
根据第一转子10的重量m1及其半径、长度获得ΔJ1,ΔJ1为第一转子10直径转动惯量与极转动惯量的差值,根据第二转子20的重量m2及其半径、长度获得ΔJ2,ΔJ2为第二转子20直径转动惯量与极转动惯量的差值,由于转动惯量的计算为现有技术,因此此处不再进一步展开描述;
根据简化模型的几何关系和偶不平衡量公式得到ΔJ1、m1、ΔJ2、m2、L11、L21、L12、L22、S与组合转子偶不平衡量Uc之间的关系,其满足以下公式:
由此,实现了对组合转子偶不平衡量的计算。
在本实施例中,得到该公式(7)的具体步骤还包括:
引入中间参数R1H、R2H、α、β;
建立R1H和L11、L12、S之间的几何关系,R2H和L21、L22、S之间的几何关系,其分别满足上述的公式(2)、(3),此处不再进一步赘述;
建立α和L11、L12、S之间的几何关系,β和L21、L22、S之间的几何关系,其满足以下公式:
建立第一转子10的偶不平衡量Uc1和α、ΔJ1间的关系,第二转子20的偶不平衡量Uc2和β、ΔJ2之间的关系,其满足以下公式:
Uc1=ΔJ1α (10)
Uc2=ΔJ2β (11)
根据偶不平衡量公式得到组合转子的偶不平衡量Uc与Uc1、Uc2、m1、m2、L12、L21、R1H、R2H间的关系,其满足以下公式:
Uc=(ΔJ1α-m1R1HL12)-(ΔJ2β-m2R2HL21) (12)
需要说明的是,本发明定义逆时针方式的偶不平衡量为正,顺时针方向的偶不平衡量为负,由于第一转子10和第二转子20的旋转方向相反,因此公式(12)中的偶不平衡量取二者的差值。
还需要说明的是,由于计算的是组合转子质心处的偶不平衡量,因此在公式(12)中需要纳入基于第一转子10质心的静不平衡量相对组合转子质心的力矩m1R1HL12以及第二转子20质心的静不平衡量相对组合转子质心的力矩m2R2HL21。
通过联立公式(2)、(3)、(8)、(9)与(12)消解R1H、R2H、α、β由此得到该公式(7)。
通过引入中间参数,简化了偶不平衡量的计算,进一步提高了计算效率。
本发明还提供了一种组合转子平衡方法,包括以下步骤:
通过现有的分步平衡工艺法对第一转子10和第二转子20分别进行平衡;
得到组合转子的跳动偏心量S和偏心角度δ;
根据上述组合转子不平衡量估算方法得到组合转子的静不平衡量Us和偶不平衡量Uc;
根据δ、Us以及用于安装静不平衡配重块的第一安装面的几何关系得到静不平衡配重块的质量和安装位置;
根据Uc的转动方向以及用于安装偶不平衡配重块的第二安装面的几何关系得到偶不平衡配重块的质量和安装位置。
由此,能够基于计算得到的静不平衡量和偶不平衡量计算出配重块的质量和安装位置。
在本实施例中,该第一安装面为组合转子的结合面,由此,可使组合转子的校正面避开第一转子10和第二转子20的校正面,避免因校正面重叠导致违背分步平衡原则。
根据该第一安装面的几何关系得到静不平衡配重块质量和安装位置的步骤包括:
测得第一安装面上的安装位到第三轴线300间的距离r,
根据r和Us计算得到静不平衡配重块的质量ms,其满足以下公式:
该静不平衡量的安装方向则为δ+180°,由此能够抵消组合转子的静不平衡量。
在本实施例中,第二安装面包括第一转子10的非结合端面和第二转子20的非结合端面。此外,在其他替换实施例中,该第二安装面也可以是临近第一转子10或第二转子20非结合端面位置处的截面。
该根据第二安装面的几何关系得到偶不平衡配重块质量和安装位置的步骤包括:
测得第一转子10非结合端面上的安装位和第二转子20非结合端面上的安装位间的跨距L;
测得第一转子10非结合端面上的安装位到组合转子轴线间的距离rfront,第二转子20非结合端面上的安装位到组合转子轴线间的距离rafter;
根据L、rfront、rafter和Uc计算出装设在第一转子10非结合端面上的偶不平衡配重块质量mc1和装设在第二转子20非结合端面上的偶不平衡配重块质量mc2,其满足以下公式:
两个偶不平衡配重块的安装位置则需要满足使二者产生的偶不平衡量转动方向和组合转子的转动方向相反,由此来抵消组合转子产生的偶不平衡量。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是本领域的技术人员应当理解,这仅是举例说明,本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下,可以对这些实施方式做出多种变更或修改,但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种组合转子不平衡量估算方法,所述组合转子由第一转子和第二转子拼接构成,其特征在于:包括以下步骤:
获得所述组合转子位于第一转子和第二转子结合面处的跳动偏心量;
将第一转子简化为表征其旋转轴的第一轴线、第二转子简化为表征其旋转轴的第二轴线;
使所述第一轴线和第二轴线的一端相接,另一端分离,定义所述第一轴线和第二轴线分离端的连线为第三轴线,并使第一轴线和第二轴线相接端与所述第三轴线间的距离等于所述跳动偏心量的量化长度,由此构成所述组合转子的简化模型;
结合所述简化模型、第一转子和第二转子的几何参数以及第一转子和第二转子的重量参数计算得出所述组合转子的不平衡量。
2.如权利要求1所述的组合转子不平衡量估算方法,其特征在于:所述不平衡量包括静不平衡量,结合所述简化模型、第一转子和第二转子的几何参数以及第一转子和第二转子的重量参数计算得出所述组合转子的不平衡量的步骤包括:
获得几何参数L11、L21、L12、L22,其中,L11为第一转子位于第一轴线上的重心到第一轴线分离端间的距离,L12为第一转子位于第一轴线上的重心到第一轴线相接端间的距离,L21为第二转子位于第二轴线上的重心到第二轴线相接端间的距离,L22为第二转子位于第二轴线上的重心到第二轴线分离端间的距离;
根据简化模型的几何关系和静不平衡量公式得到第一转子的重量m1、第二转子的重量m2、跳动偏心量S、L11、L21、L12、L22与组合转子静不平衡量Us之间的关系。
3.如权利要求2所述的组合转子不平衡量估算方法,其特征在于:得到m1、m2、S、L11、L21、L12、L22与US之间关系的步骤还包括:
引入中间参数R1H、R2H,其中,R1H为第一转子的重心到第三轴线间的距离,R2H为第二转子的重心到第三轴线间的距离;
建立R1H和L11、L12、S之间的几何关系,R2H和L21、L22、S之间的几何关系;
建立第一转子的静不平衡量Us1和m1、R1H间的几何关系,第二转子的静不平衡量Us2和m2、R2H之间的几何关系;
联立消解R1H、R2H;
根据消解R1H、R2H后的Us1、Us2得到组合转子的静不平衡量Us和m1、m2、S、L11、L21、L12、L22间的关系。
4.如权利要求1所述的组合转子不平衡量估算方法,其特征在于:所述不平衡量包括偶不平衡量,结合所述简化模型、第一转子和第二转子的几何参数以及第一转子和第二转子的重量参数计算得出所述组合转子的不平衡量的步骤包括:
根据第一转子的重量m1及其几何参数获得ΔJ1,ΔJ1为第一转子直径转动惯量与极转动惯量的差值,根据第二转子的重量m2及其几何参数获得ΔJ2,ΔJ2为第二转子直径转动惯量与极转动惯量的差值;
获得简化模型的几何参数L11、L21、L12、L22,其中,L11为第一转子位于第一轴线上的重心到第一轴线分离端间的距离,L12为第一转子位于第一轴线上的重心到第一轴线相接端间的距离,L21为第二转子位于第二轴线上的重心到第二轴线相接端间的距离,L22为第二转子位于第二轴线上的重心到第二轴线分离端间的距离;
根据简化模型的几何关系和偶不平衡量公式得到ΔJ1、m1、ΔJ2、m2、L11、L21、L12、L22、跳动偏心量S与组合转子偶不平衡量Uc之间的关系。
5.如权利要求4所述的组合转子不平衡量估算方法,其特征在于:得到ΔJ1、m1、ΔJ2、m2、L11、L21、L12、L22、S与组合转子偶不平衡量Uc之间关系的步骤包括:
引入中间参数R1H、R2H、α、β,其中,R1H为第一转子的重心到第三轴线间的距离,R2H为第二转子的重心到第三轴线间的距离,α为第一轴线与第三轴线间的夹角,β为第二轴线和第三轴线间的夹角;
建立R1H和L11、L12、S之间的几何关系,α和L11、L12、S之间的几何关系,R2H和L21、L22、S之间的几何关系,β和L21、L22、S之间的几何关系;
建立第一转子的偶不平衡量Uc1和α、ΔJ1间的关系,第二转子的偶不平衡量Uc2和β、ΔJ2之间的关系;
根据偶不平衡量公式得到组合转子的偶不平衡量Uc与Uc1、Uc2、m1、m2、L12、L21、R1H、R2H间的关系;
联立消解R1H、R2H、α、β以得到Uc和ΔJ1、m1、ΔJ2、m2、L11、L21、L12、L22、S之间的关系。
6.一种组合转子平衡方法,其特征在于:包括以下步骤:
得到组合转子的偏心角度δ;
根据如权利要求1至5中任意一项所述的组合转子不平衡量估算方法得到组合转子的静不平衡量Us和偶不平衡量Uc;
根据δ、Us以及用于安装静不平衡配重块的第一安装面的几何关系得到静不平衡配重块的质量和安装位置;
根据Uc的转动方向以及用于安装偶不平衡配重块的第二安装面的几何关系得到偶不平衡配重块的质量和安装位置。
7.如权利要求6所述的组合转子平衡方法,其特征在于:所述第一安装面为所述组合转子的结合面。
8.如权利要求7所述的组合转子平衡方法,其特征在于:根据所述第一安装面的几何关系得到静不平衡配重块质量的步骤包括:
测得第一安装面上的安装位到所述组合转子轴线间的距离r,
根据r、Us计算得到所述静不平衡配重块的质量。
9.如权利要求6所述的组合转子平衡方法,其特征在于:所述第二安装面包括所述第一转子的非结合端面和所述第二转子的非结合端面。
10.如权利要求9所述的组合转子平衡方法,其特征在于:根据所述第二安装面的几何关系得到偶不平衡配重块质量的步骤包括:
测得第一转子非结合端面上的安装位和第二转子非结合端面上的安装位间的跨距L;
测得第一转子非结合端面上的安装位到组合转子轴线间的距离rfront,第二转子非结合端面上的安装位到组合转子轴线间的距离rafter;
根据L、rfront、rafter和Uc计算出装设在第一转子非结合端面上的偶不平衡配重块质量和装设在第二转子非结合端面上的偶不平衡配重块质量。
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