一种弹性缓冲机匣及其刚度系数设计方法技术

本申请公开了一种弹性缓冲机匣及其刚度设计方法，所述弹性缓冲机匣沿轴向依次包括法兰部分段、第一轴承座段、过渡段、第二轴承座段，所述法兰部分段设置有法兰边，所述法兰边通过螺栓与外机匣固定连接，从而将弹性缓冲机匣的一端固定在外机匣上；所述第一轴承座段的内孔与安装在功率输出轴组件上的第一轴承的外圆相匹配；所述第二轴承座段的内孔与安装在功率输出轴组件上的第二轴承的外圆相匹配；过渡段的直径沿轴向方向由所述第一轴承座段的直径向所述第二轴承座段的直径逐渐过渡。本申请通过减小弹性缓冲机匣的刚度系数，延长冲击力的作用时间，从而达到使动力涡轮转子系统与机匣免受振动冲击伤害的作用，确保航空发动机整机安全平稳工作。整机安全平稳工作。整机安全平稳工作。

【技术实现步骤摘要】
一种弹性缓冲机匣及其刚度系数设计方法


[0001]本申请涉及航空涡轴发动机领域，特别地，涉及一种弹性缓冲机匣及其刚度系数设计方法。

技术介绍

[0002]目前，采用前输出形式的涡轴发动机，其动力由动力涡轮通过动力涡轮轴传递到输出轴，使得动力涡轮轴细长，长径比大且“柔”，且两端带弹性支承，弹性支承一般需要设计挤压油膜减振，当发动机转子系统出现冲击或大幅振动瞬间，其油膜间隙会消失并造成转子系统与机匣的刚性碰撞，如果不进行防护，将对转子系统及各承力机匣造成损伤。为此，有必要设计了一种弹性缓冲机匣，该弹性缓冲机匣可起到柔性防护的作用，避免或减小转子系统与刚性机匣的振动冲击伤害。

技术实现思路

[0003]本申请一方面提供了一种弹性缓冲机匣，以解决现有发动机转子系统出现冲击或大幅振动瞬间时，弹性支承因油膜间隙消失造成转子系统与机匣的刚性碰撞，最终导致对转子系统及各承力机匣造成冲击损伤的技术问题。
[0004]本申请采用的技术方案如下：
[0005]一种弹性缓冲机匣，所述弹性缓冲机匣沿轴向依次包括法兰部分段、第一轴承座段、过渡段、第二轴承座段，
[0006]所述法兰部分段设置有法兰边，所述法兰边通过螺栓与外机匣固定连接，从而将弹性缓冲机匣的一端固定在外机匣上；
[0007]所述第一轴承座段的内孔与安装在功率输出轴组件上的第一轴承的外圆相匹配；
[0008]所述第二轴承座段的内孔与安装在功率输出轴组件上的第二轴承的外圆相匹配；
[0009]所述过渡段的直径沿轴向方向由所述第一轴承座段的直径向所述第二轴承座段的直径逐渐过渡，用于减小弹性缓冲机匣的刚度系数K，从而延长冲击力的作用时间，达到减小冲击力的目的。
[0010]进一步地，所述第一轴承的中心横截面与外机匣的安装边的跨距M的取值范围为：10mm～100mm；
[0011]所述第二轴承的中心横截面与外机匣的安装边的跨距N的取值范围为：M+(20mm～100mm)。
[0012]进一步地，所述过渡段包括沿轴向方向依次设置的变厚锥形段和等厚锥形段，所述变厚锥形段与第一轴承座段的连接处、所述变厚锥形段和等厚锥形段的连接处、所述等厚锥形段与第二轴承座段的连接处均通过圆弧平滑过渡。
[0013]进一步地，所述过渡段的纵截面轮廓为半径为R的圆弧线。
[0014]进一步地，所述过渡段的纵截面轮廓为向弹性缓冲机匣中轴线方向内凹的圆弧线。
[0015]进一步地，所述过渡段的纵截面轮廓为向远离弹性缓冲机匣中轴线方向外凸的圆弧形。
[0016]进一步地，所述过渡段为等壁厚过渡段或变壁厚过渡段，所述变壁厚过渡段的厚度由第一轴承座段向第二轴承座段方向逐渐减小。
[0017]本申请另一方面还提供了一种弹性缓冲机匣的刚度系数设计方法，包括步骤：
[0018]1)根据轴承和转轴的尺寸及转子动力学要求确定机匣总长L、第一轴承座段的内径r1，以及厚度比s＝h1/h2＝(R1
‑
r1)/(R2
‑
r2)，其中，第一轴承座段的外径为R1，厚度为h1＝R1
‑
r1，第二轴承座段的外径为R2，内径为r2，厚度为h2＝R2
‑
r2；
[0019]2)确定分割参数t，并设置计算精度e0，当采用黄金分割法时，所述分割参数t＝0.618，当采用二分法时，所述分割参数t＝0.5，所述计算精度e0为0.001
‑
0.0001；
[0020]3)设置h1的上限值Hh＝10mm和下限值Hg＝0.1mm；
[0021]4)设置弹性缓冲机匣的第一轴承座段的当前厚度h1＝Hg+t
×
(Hh
‑
Hg)；
[0022]5)由第一轴承座段的当前厚度h1及步骤1)中给定的相关结构尺寸获得支承结构完整几何模型；
[0023]6)采用有限元法或梁理论公式计算第一轴承座段的刚度系数K；
[0024]7)若|K
‑
K0|/K0≤e0，则转步骤9)，反之则转步骤8)，K0为符合要求的预设刚度系数；
[0025]8)若K
‑
K0≤0？则设置Hg＝h1后，转步骤4)，反之则设置Hh＝h1后，转步骤4)；
[0026]9)输出计算结果，得到第一轴承座段的厚度h1和刚度系数K；
[0027]10)将所得的第一轴承座段的厚度h1保持不变，将第二轴承座段的厚度h2作为设计变量替换h1后，重复步骤1)～步骤9)，得到第二轴承座段的厚度h2和刚度系数K。
[0028]进一步地，采用有限元法计算第一轴承座段的刚度系数K的过程，具体包括步骤：
[0029]1)对弹性缓冲机匣模型划分有限元网格，施加边界条件，包括在第一轴承座段施加单位载荷，所述单位载荷垂直指向弹性缓冲机匣模型的中心轴方向；约束弹性缓冲机匣模型固定端的轴向、径向、周向位移，从而生成弹性缓冲机匣有限元模型；
[0030]2)运行有限元程序，选择傅里叶环单元，输入生成的弹性缓冲机匣限元模型；
[0031]3)输入材料参数，包括材料的弹性模量E和泊松比μ；
[0032]4)设置傅里叶周向波数为1；
[0033]5)计算傅里叶环单元刚度矩阵[k]、组装系统总体刚度矩阵[K]和载荷向量{F}，调用线性方程组求解模块求解系统方程:[K]{U}＝{F}，获得位移向量{U}；
[0034]6)根据所述位移向量{U}获得第一轴承的外环宽度范围内各节点的位移值，所得位移值的平均值即为第一轴承座段的柔度系数λ，求所述柔度系数λ的倒数即为第一轴承座段的刚度系数K。
[0035]进一步地，采用梁理论公式计算第一轴承座段的刚度系数K的过程，具体包括步骤：
[0036]根据弹性缓冲机匣结构的具体形状及刚度计算的精度要求选择单段圆柱梁、两段圆柱梁或三段圆柱梁进行近似计算；
[0037]对于弹性缓冲机匣接近圆柱形的采用单段圆柱梁模拟，其刚度系数K的计算公式为:
[0038][0039]其中：R1为单段圆柱梁的外径，r1为单段圆柱梁的内径，E为弹性模量，π＝3.14159为圆周率，L为单段圆柱梁的长度；
[0040]两段圆柱梁刚度系数K的计算公式为：
[0041][0042][0043]其中：λ为柔度系数，L1为两段圆柱梁中第一段圆柱梁的长度，L2为两段圆柱梁中第二段圆柱梁的长度，R1为两段圆柱梁中第一段圆柱梁的外径，r1为两段圆柱梁中第一段圆柱梁的内径，R2为两段圆柱梁中第二段圆柱梁的外径，r2为两段圆柱梁中第二段圆柱梁的内径，且满足：L1>L2，r1>r2；
[0044]三段圆柱梁刚度系数K的计算公式为：
[0045][0046][0047]其中；L1为三段圆柱梁中第一段圆柱梁的长度，L2为三段圆柱梁中第二段圆柱梁的长度，L3为三段圆柱梁中第三段圆柱梁的长度，R1为三段圆柱梁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种弹性缓冲机匣，其特征在于，所述弹性缓冲机匣沿轴向依次包括法兰部分段(9)、第一轴承座段(3)、过渡段(5)、第二轴承座段(7)，所述法兰部分段(9)设置有法兰边(2)，所述法兰边(2)通过螺栓与外机匣(1)固定连接，从而将弹性缓冲机匣的一端固定在外机匣(1)上；所述第一轴承座段(3)的内孔与安装在功率输出轴组件上的第一轴承(4)的外圆相匹配；所述第二轴承座段(7)的内孔与安装在功率输出轴组件上的第二轴承(8)的外圆相匹配；所述过渡段(5)的直径沿轴向方向由所述第一轴承座段(3)的直径向所述第二轴承座段(7)的直径逐渐过渡，用于减小弹性缓冲机匣的刚度系数K，从而延长冲击力的作用时间，达到减小冲击力的目的。2.根据权利要求1所述的弹性缓冲机匣，其特征在于，所述第一轴承(4)的中心横截面与外机匣(1)的安装边的跨距M的取值范围为：10mm～100mm；所述第二轴承(8)的中心横截面与外机匣(1)的安装边的跨距N的取值范围为：M+(20mm～100mm)。3.根据权利要求1所述的弹性缓冲机匣，其特征在于：所述过渡段(5)包括沿轴向方向依次设置的变厚锥形段和等厚锥形段，所述变厚锥形段与第一轴承座段(3)的连接处、所述变厚锥形段和等厚锥形段的连接处、所述等厚锥形段与第二轴承座段(7)的连接处均通过圆弧平滑过渡。4.根据权利要求1所述的弹性缓冲机匣，其特征在于，所述过渡段(5)的纵截面轮廓为半径为R的圆弧线。5.根据权利要求4所述的弹性缓冲机匣，其特征在于，所述过渡段(5)的纵截面轮廓为向弹性缓冲机匣中轴线方向内凹的圆弧线。6.根据权利要求4所述的弹性缓冲机匣，其特征在于，所述过渡段(5)的纵截面轮廓为向远离弹性缓冲机匣中轴线方向外凸的圆弧形。7.根据权利要求4至6中任一项所述的弹性缓冲机匣，其特征在于，所述过渡段(5)为等壁厚过渡段或变壁厚过渡段，所述变壁厚过渡段的厚度由第一轴承座段(3)向第二轴承座段(7)方向逐渐减小。8.一种弹性缓冲机匣的刚度系数设计方法，其特征在于，包括步骤：1)根据轴承和转轴的尺寸及转子动力学要求确定机匣总长L、第一轴承座段(3)的内径r1，以及厚度比s＝h1/h2＝(R1
‑
r1)/(R2
‑
r2)，其中，第一轴承座段(3)的外径为R1，厚度为h1＝R1
‑
r1，第二轴承座段(7)的外径为R2，内径为r2，厚度为h2＝R2
‑
r2；2)确定分割参数t，并设置计算精度e0，当采用黄金分割法时，所述分割参数t＝0.618，当采用二分法时，所述分割参数t＝0.5，所述计算精度e0为0.001
‑
0.0001；3)设置h1的上限值Hh＝10mm和下限值Hg＝0.1mm；4)设置弹性缓冲机匣的第一轴承座段(3)的当前厚度h1＝Hg+t
×
(Hh
‑
Hg)；5)由第一轴承座段(3)的当前厚度h1及步骤1)中给定的相关结构尺寸获得支承结构完整几何模型；
6)采用有限元法或梁理论公式计算第一轴承座段(3)的刚度系数K；7)若|K
‑
K0|/K0≤e0，则转步骤9)，反之则转步骤8)，K0为符合要求的预设刚度系数；8...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冰，蔡明先，黄兴，黄健，李鑫，
申请(专利权)人：中国航发湖南动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：