双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置及其设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，包括内外转子、测试系统；内转子从外转子内穿过，内外转子安装在移动式轴承座上；内外转子上设有多级可拆卸对开式圆盘，圆盘端面上开有多个环形槽，配重块采用螺栓拧入环形槽内的防松螺母中固定；测试系统包括加速度传感器、电涡流位移传感器及控制柜。本发明专利技术基于转子临界转速与振型相似原则，通过移动圆盘在光轴上位置、调整移动式轴承座位置、更换圆盘大小等方式，匹配模拟出实际涡轴发动机压气机、燃气涡轮和自由涡轮的动力学特性，多个转盘不平衡大小、轴向位置、相位差参数及相互间的任意组合形式，实现多种双转子机型结构形式下涡轴发动机转子不同阶次振型不平衡特性模拟。

Unbalanced Characteristic Simulating Device and Design Method for Turboshaft Engine with Double Rotor Structure

The invention discloses a dual-rotor turboshaft engine unbalance characteristic simulation device, which includes an internal and external rotor and a test system; the internal rotor passes through the external rotor and the internal and external rotors are installed on a movable bearing seat; the internal and external rotors are equipped with a multi-stage dismountable and opposite disc, a plurality of annular grooves are opened on the end face of the disc, and the counterweight block is screwed into a loosening nut in the annular groove by bolts. Fixed; test system includes acceleration sensor, eddy current displacement sensor and control cabinet. Based on the principle of rotor critical speed and vibration mode similarity, the dynamic characteristics of compressor, gas turbine and free turbine of turboshaft engine, unbalanced size, axial position, phase difference parameters of multiple rotating discs and any combination form among them are matched and simulated by moving the disc on the optical axis, adjusting the position of the movable bearing seat and replacing the disc size. The unbalanced characteristics of turboshaft engine rotors with different order modes are simulated under various dual-rotor structures.

【技术实现步骤摘要】
双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置及其设计方法
本专利技术涉及电机领域，特别涉及一种双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置及其设计方法。
技术介绍
双转子涡轴发动机是目前直升机动力系统的主要结构形式。为提高功重比，这类发动机结构设计往往非常紧凑，尺寸小，连接零部件多，而由于各零部件材料的非均匀性、加工误差、装配偏差，以及它们之间连接状态会随着涡轴发动机转子运行温度场梯度而改变这种独有特性，极易导致涡轴发动机中压气机、燃气涡轮和自由涡轮产生复杂的不平衡状态及其多种组合形式下的振动，由于涡轴发动机转子细长，工作运行在二阶临界转速之上，常常激发强烈的一阶、二阶振型不平衡(即力不平衡与力偶不平衡)振动；另一方面，由于涡轴发动机支承中含有鼠笼式弹性支承和挤压油膜阻尼器等非线性零部件，使得复杂的不平衡特性在非线性因素影响下变得更加突出。目前涡轴发动机双转子不平衡振动特性主要采用仿真分析方法，由于挤压油膜阻尼器、弹性支撑等动力学边界条件难以确定，仿真分析结果还需大量实验进行验证，因此有必要设计相应的模拟实验台进行涡轴发动机双转子结构不平衡特性研究。目前，通常涡轴发动机转子实验台针对某一类涡轴发动机机型进行设计，当需要模拟不同结构形式的涡轴发动机时，如涡轮置于支承之前或支承之后，涡轴发动机转子实验台相对应的部分结构形式也需进行改变，将会导致临界转速发生变化，不同阶次振型不平衡特性也会随着涡轴发动机转子实验台结构形式改变而变化。为解决该问题，大多采用拆卸支承或重新设计新实验台。由于涡轴发动机双转子结构转子实验台采用内转子穿过外转子的形式，在拆卸外转子支承时，需先将相邻的内转子支承拆除方可，导致操作极其不便；另外，支承拆卸后重新进行装配，因难以保证鼠笼式弹性支承和挤压油膜阻尼器这类零部件的非线性动力学特性，极易导致拆卸前后的性能不相同，甚至会引入较大的装配偏差而影响实验研究结果的准确性。在实际工程中，设计一台新的涡轴发动机双转子结构实验台往往会受到加工周期长、制造成本高以及实验场地等诸多不利因素的约束。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置的设计方法，并提供一种结构简单、稳定可靠的双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置的设计方法，包括以下步骤：（1）根据涡轴发动机双转子实际结构形式，基于转子动力学相似的设计原则，将转子简化为简支梁，则转子的临界转速公式为：其中k为刚度，m为质量，g为重力加速度，为圆盘重量引起静挠度,其中F为载荷，l为跨距，EI为弯曲刚度；由此可知，通过改变质量、刚度、跨距以及载荷分布，即可调整转子系统的临界转速；（2）通过移动圆盘在轴上的位置，以及改变轴承座之间的距离来改变转子系统的刚度；通过改变圆盘的大小来改变质量m；通过调整轴承座的位置来改变跨距l；通过调整圆盘在光轴上的质量分布来改变载荷F；调整与匹配圆盘、轴承座、直线光轴的基本尺寸与相对位置，使设计的模拟实验装置前两阶转子临界转速与工作转速之比等于被模拟的涡轴发动机转子前两阶转子临界转速与工作转速之比；（3）外转子一阶振型为筒形刚体振型，二阶振型为双锥形刚体振型；内转子一阶振型为没有节点的弯曲振型，二阶振型为一个节点的弯曲振型；根据原型机振型，使模拟实验装置转子和原型机对应的转子前两阶振型相似；靠近振型偏离轴线中心最大处对不平衡敏感度最高，添加不平衡效果最明显，得到不平衡特性最佳。一种双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，用于模拟具有双转子结构形式的涡轴发动机压气机、燃气涡轮、自由涡轮转子不同阶次振型不平衡特性，包括基座、可移动式轴承座、内转子、外转子、可拆卸对开式圆盘、测试系统、第一电机和第二电机；第一电机通过联轴器和内转子相连，内转子从外转子内穿过，内转子和外转子两端均通过可移动式轴承座安装在基座上；外转子上套设第一皮带轮，外转子上的模拟压气机区内、外转子上的模拟燃气涡轮区内、内转子上的模拟自由涡轮区内均设有可拆卸对开式圆盘；第二电机和第二皮带轮相连，第二皮带轮通过皮带带动外转子上的第一皮带轮，从而驱动外转子；测试系统包括用于测量内转子转速的第一齿盘、用于测量外转子转速的第二齿盘、用于测量内转子相位的第一键相盘、用于测量外转子相位的第二键相盘、加速度传感器、电涡流传感器和控制柜，第一齿盘和第一键相盘安装在内转子两端；第二齿盘和第二键相盘安装在外转子两端；加速度传感器安装在可移动式轴承座上，多个电涡流传感器分别安装在内转子和外转子空隙处；加速度传感器、电涡流传感器采集信号通过光缆传输到控制柜，同时控制柜控制内转子和外转子的转速。上述双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，所述可拆卸对开式圆盘沿竖直方向剖开，剖面用螺栓、螺母连接固定，在未剖两侧设有和剖面连接处尺寸一致的凹台，凸台上设有和剖面连接处规格一致的螺栓与螺母。上述双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，所述可拆卸对开式圆盘上开有多个环形槽，环形槽内设有防松螺母，配重块通过内六角螺栓拧入环形槽内的防松螺母中，采用楔形胀紧套将可拆卸对开式圆盘固定在镀铬直线光轴上的轴向位置；在不同环形槽、不同角度位置安装不同数量以及不同规格的配重块，以模拟该可拆卸对开式圆盘所处位置上的不同不平衡量大小。上述双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，所述内转子的模拟自由涡轮区安装两个可拆卸对开式圆盘以模拟涡轴发动机的两级自由涡轮盘；外转子的模拟压气机区安装四个可拆卸对开式圆盘以模拟涡轴发动机的三级轴流式压气机盘和一级离心式压气机盘，外转子的模拟燃气涡轮区安装两个可拆卸对开式圆盘以模拟涡轴发动机的两级燃气涡轮盘；通过在模拟压气机区、模拟燃气涡轮区和模拟自由涡轮区中设置不同数量、不同规格的可拆卸对开式圆盘来模拟不同机型的涡轴发动机上相应区域中压气机盘、燃气涡轮盘和自由涡轮盘的数量和规格。上述双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，所述可移动式轴承座包括轴承座、埋头螺栓，所述基座上设有若干凹槽，凹槽的横截面为T形，凹槽中设有用于埋头螺栓，埋头螺栓可沿凹槽长度方向滑动，轴承座通过埋头螺栓可滑动设置在凹槽内，通过在基座上移动可移动式轴承座以改变跨距；通过在基座不同轴向位置上安装或拆卸可移动式轴承座以改变不同的支撑形式。上述双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，根据涡轴发动机双转子实际结构形式，基于转子动力学相似的设计原则，调整与匹配可拆卸对开式圆盘、可移动式轴承座、镀铬直线光轴的基本尺寸与相对位置，使设计的模拟实验装置前两阶转子临界转速与工作转速之比等于被模拟的涡轴发动机转子前两阶转子临界转速与工作转速之比，且各转子前两阶振型相似。上述双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，其用于模拟双转子机型涡轴发动机不同轴向位置处压气机、燃气涡轮、自由涡轮不平衡特性，通过更换多级可拆卸对开式圆盘以及调整可拆卸对开式圆盘轴向位置，以研究具有多个转盘结构形式的双转子涡轴发动机不平衡振动特性，包括单转盘不平衡量大小对双转子涡轴发动机振动的影响、双转盘上不平衡对双转子涡轴发动机振动的影响、三转盘上不平衡对双转子涡轴发动机振动的影响。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术结构简单，所使用的圆盘为对开式，在无需拆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置的设计方法，包括以下步骤：（1）根据涡轴发动机双转子实际结构形式，基于转子动力学相似的设计原则，将转子简化为简支梁，则转子的临界转速

【技术特征摘要】
1.一种双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置的设计方法，包括以下步骤：（1）根据涡轴发动机双转子实际结构形式，基于转子动力学相似的设计原则，将转子简化为简支梁，则转子的临界转速公式为：其中k为刚度，m为质量，g为重力加速度，为圆盘重量引起静挠度,其中F为载荷，l为跨距，EI为弯曲刚度；由此可知，通过改变质量、刚度、跨距以及载荷分布，即可调整转子系统的临界转速；（2）通过移动圆盘在轴上的位置，以及改变轴承座之间的距离来改变转子系统的刚度；通过改变圆盘的大小来改变质量m；通过调整轴承座的位置来改变跨距l；通过调整圆盘在光轴上的质量分布来改变载荷F；调整与匹配圆盘、轴承座、直线光轴的基本尺寸与相对位置，使设计的模拟实验装置前两阶转子临界转速与工作转速之比等于被模拟的涡轴发动机转子前两阶转子临界转速与工作转速之比；（3）外转子一阶振型为筒形刚体振型，二阶振型为双锥形刚体振型；内转子一阶振型为没有节点的弯曲振型，二阶振型为一个节点的弯曲振型；根据原型机振型，使模拟实验装置转子和原型机对应的转子前两阶振型相似；靠近振型偏离轴线中心最大处对不平衡敏感度最高，添加不平衡效果最明显，得到不平衡特性最佳。2.根据权利要求1所述的设计方法设计的双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，用于模拟具有双转子结构形式的涡轴发动机压气机、燃气涡轮、自由涡轮转子不同阶次振型不平衡特性，其特征在于：包括基座、可移动式轴承座、内转子、外转子、可拆卸对开式圆盘、测试系统、第一电机和第二电机；第一电机通过联轴器和内转子相连，内转子从外转子内穿过，内转子和外转子两端均通过可移动式轴承座安装在基座上；外转子上套设第一皮带轮，外转子上的模拟压气机区内、外转子上的模拟燃气涡轮区内、内转子上的模拟自由涡轮区内均设有可拆卸对开式圆盘；第二电机和第二皮带轮相连，第二皮带轮通过皮带带动外转子上的第一皮带轮，从而驱动外转子；测试系统包括用于测量内转子转速的第一齿盘、用于测量外转子转速的第二齿盘、用于测量内转子相位的第一键相盘、用于测量外转子相位的第二键相盘、加速度传感器、电涡流传感器和控制柜，第一齿盘和第一键相盘安装在内转子两端；第二齿盘和第二键相盘安装在外转子两端；加速度传感器安装在可移动式轴承座上，多个电涡流传感器分别安装在内转子和外转子空隙处；加速度传感器、电涡流传感器采集信号通过光缆传输到控制柜，同时控制柜控制内转子和外转子的转速。3.根据权利要求2所述的双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置，其特征在于：所述可拆卸对开式圆盘沿竖直方向剖开...

【专利技术属性】
技术研发人员：宾光富，廖子豪，郭帅平，毛征宇，王维民，王钢，李鸿光，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43