压气机试验件的转子组件及压气机试验件的制作方法

本发明涉及航空发动机试验件领域，特别地，涉及一种压气机试验件的转子组件。此外，本发明还涉及一种包括上述压气机试验件的转子组件的压气机试验件。

背景技术：

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，为航空器提供飞行所需动力的发动机，随着科学技术的发展，航空发动机的性能不断提高。发动机在确定总体结构后，例如压气机、燃烧室、涡轮等各部件要设计试验件进行试验，以获取部件气动性能及振动特征，为整机的部件间匹配及优化改进提供支撑。

与发动机相比，压气机试验件轴向力不能实现自平衡，必须在转子上增加平衡结构，否则轴向力将损坏轴承。压气机试验件在进行性能试验时，存在因转子变形过大导致转、静子碰磨，进而引发更严重的振动，造成叶片损伤或试验件损坏等问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种压气机试验件的转子组件及压气机试验件，以解决压气机试验件的转子组件在旋转时，转子易产生的弯曲挠度，使得转子刚度较弱和临界转速度不足的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种压气机试验件的转子组件，转子组件包括：用于增大气体流速和气体压力的压气机叶片盘，用于平衡轴向作力与压气机叶片盘同轴设置的平衡盘，用于拉紧转子组件和传递轴向力的中心拉杆，中心拉杆贯穿并锁紧压气机叶片盘和平衡盘，用于扭矩传递轴向力并与平衡盘固定连接的动力输入轴，用于将转子组件支撑于机匣上的支撑结构，支撑结构包括第一支撑件和第二支撑件，第一支撑件和第二支撑件分别设置在压气机叶片盘的前端和后端，平衡盘设置在第二支撑件之后。

进一步地，压气机叶片盘包括依次排布的轴流第一级叶片盘、轴流第二级叶片盘和离心叶轮；轴流第二级叶片上设有沿压气机叶片盘内腔伸出用于径向限位的第一轴颈，第一轴颈安装有处于轴流第一级叶片盘的盘心位置的第一支撑件；第二支撑件安装在离心叶轮后端的第二轴颈上。

进一步地，第一支撑件，包括用于转动连接处于第一轴颈上的第一自由端、用于转动连接并与机匣固定连接的第二自由端；第一自由端与第二自由端通过滚珠轴承连接；第二支撑件，包括用于转动连接处于第二轴颈上第三自由端、用于转动连接并与机匣固定连接的第四自由端；第三自由端与第四自由端通过滚棒轴承连接。

进一步地，轴流第一级叶片盘、轴流第二级叶片盘与前轴颈采用一体结构。

进一步地，轴流第一级叶片盘采用悬臂布设。

进一步地，轴流第二级叶片盘与离心叶轮采用端齿定心传扭；离心叶轮与平衡盘采用止口定位连接；离心叶轮与平衡盘采用花键传扭。

进一步地，平衡盘与动力输入轴采用止口定位连接、嵌套连接或多点螺栓连接中的至少一种；或者，平衡盘与动力输入轴采用多点连接、线连接或面连接中的至少一种；平衡盘与动力输入轴连接处设有封严篦齿。

进一步地，中心拉杆的第一端与平衡盘采用螺栓连接，中心拉杆的第二端贯穿并锁定第一轴颈；中心拉杆与第一轴颈采用螺栓锁定、插销锁定、滑槽锁定、滑块锁定或楔块锁定中的至少一种。

进一步地，第一支撑件与机匣之间、第二支撑件与机匣之间、压气机叶片盘的后端腔与机匣之间或压气机叶片盘与平衡盘之间中的至少一处布设有封严篦齿；平衡盘径向方向布设有封严篦齿与机匣间隙配合；第一级叶片盘上设置用于调整转子组件动平衡并在第一级叶片盘上可拆卸的平衡件；平衡件采用平衡块、平衡条或平衡面中的至少一种。

根据本发明的另一方面，还提供了一种压气机试验件，包括上述压气机试验件的转子组件。

本发明具有以下有益效果：

本发明的压气机试验件的转子组件包括压气机叶片盘、平衡盘、动力输入轴、中心拉杆和支撑结构，压气机试验件的转子组件设置为双支撑结构，平衡盘后不再设置支撑，按照1-1-0的形式支撑布局，将支撑结构布设在压气机叶片盘的前端和后端，平衡盘设置在所述第二支撑件之后。压气机试验件的转子组件的结构设计，减少第一支撑件和第二支撑件之间的支撑跨距，平衡盘后不再设置支撑，并且只采用两支撑件，有效的缩短转子组件跨距的距离。一方面，支撑结构的跨距与转子组件的刚性成反比例关系，随着支撑结构的跨距的减少，转子组件的刚性显著增加，减小转子组件旋转时产生的弯曲挠度，提升运转可靠性；另一方面，转子组件跨距与临界转速度成反比例关系，因此可以通过调节转子组件跨距，使得转子组件的工作转速远离临界转速裕度，有效的降低振动风险。

本发明的压气机试验件的转子组件的结构设计，显著减小了转子的支撑跨距，有利于减小转子组件旋转时产生的弯曲挠度，增强转子组件自身刚性强度，提高转子组件的临界转速裕度，提升转子组件的运转可靠性。压气机试验件的转子组件的设置为双支撑结构，第一支撑件和第二支撑件，支撑件的减少可以节省支撑件的润滑及封严引气结构，降低加工及试验成本。通过试验测试，表明压气机试验件的转子组件运转安全平稳，未发生因不平衡引起的局部弯曲振动和因临界转速裕度不足引起的共振等问题。

本发明的压气机试验件，采用压气机试验件的转子组件，通过显著减小了转子的支撑跨距，并保证压气机出口气流沿径向流出。压气机试验件结构简单，运转稳定，取得的试验数据稳定，符合发动机的试验要求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的本实施例的压气机试验件的转子组件示意图。

附图标记说明：

1、压气机叶片盘；11、轴流第一级叶片盘；12、轴流第二级叶片盘；13、离心叶轮；2、平衡盘；3、动力输入轴；4、中心拉杆；5、支撑结构；51、第一支撑件；52、第二支撑件；121、第一轴颈；131、第二轴颈。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明优选实施例的本实施例的压气机试验件的转子组件示意图。

如图1所示，本实施例的压气机试验件的转子组件，转子组件包括：用于增大气体流速和气体压力的压气机叶片盘1，用于平衡轴向作力与压气机叶片盘1同轴设置的平衡盘2，用于拉紧转子组件和传递轴向力的中心拉杆4，中心拉杆4贯穿并锁紧压气机叶片盘1和平衡盘2，用于扭矩传递轴向力并与平衡盘2固定连接的动力输入轴3，用于将转子组件支撑于机匣上的支撑结构5，支撑结构5包括第一支撑件51和第二支撑件52，第一支撑件51和第二支撑件52分别设置在压气机叶片盘1的前端和后端，平衡盘2设置在第二支撑件52之后。本发明的压气机试验件的转子组件包括压气机叶片盘1、平衡盘2、动力输入轴3、中心拉杆4和支撑结构5，压气机试验件的转子组件设置为双支撑结构5，平衡盘后不再设置支撑，按照1-1-0的形式支撑布局，将支撑结构5布设在压气机叶片盘1的前端和后端，平衡盘2设置在第二支撑件52之后。压气机试验件的转子组件的结构设计，减少第一支撑件51和第二支撑件52之间的支撑跨距，平衡盘2后不再设置支撑，并且只采用两支撑件，有效的缩短转子组件跨距的距离。一方面，支撑结构5的跨距与转子组件的刚性成反比例关系，随着支撑结构5的跨距的减少，转子组件的刚性显著增加，减小转子组件旋转时产生的弯曲挠度，提升运转可靠性；另一方面，转子组件跨距与临界转速度成反比例关系，因此可以通过调节转子组件跨距，使得转子组件的工作转速远离临界转速裕度，有效的降低振动风险。

压气机试验件的转子组件设置为双支撑结构5，平衡盘2设置在第二支撑件52之后，有效的减少双支撑结构5之间的转子跨距，转子跨距影响转子刚性、临界转速的一个关键因素。

公式(一)是两端简支转子的刚度估算公式，式中△近似为常量(下同)，l是支撑结构跨距，刚度与变形的关系kx＝f，可见随着支撑结构跨距增大，高速旋转的转子在残余不平衡量作用下变形也越大，变形过大必然导致叶片与机匣的过度刮摩，进而引发有害的振动甚至严重事故。

公式(二)是临界转速估算公式，d是转子外径，l是转子跨距。一般情况下d值受发动机尺寸限制，确定后就不可更改，l是影响转子的最关键因素。公式中l减小50％，临界转速增大4倍，因此可以通过调整l使转子临界转速远离工作转速，提高转子临界转速裕度，降低振动风险。

综上所述，转子跨距是影响转子振动及变形的重要参数，缩短跨距可以优化转子的振动特性，降低试验失败的风险及可能的经济损失。上述压气机试验件的转子组件的设置，将支撑结构5布设在压气机叶片盘1的前端和后端，平衡盘2设置在第二支撑件52之后，有效的减少支撑结构5的跨距，提高转子的振动特性。

上述压气机试验件的转子组件的结构设计，显著减小了转子的支撑跨距，有利于减小转子组件旋转时产生的弯曲挠度，增强转子组件自身刚性强度，提高转子组件的临界转速裕度，提升转子组件的运转可靠性。压气机试验件的转子组件的设置为双支撑结构：第一支撑件51和第二支撑件52，支撑件的减少可以节省支撑件的润滑及封严引气结构，降低加工及试验成本。通过试验测试，表明压气机试验件的转子组件运转安全平稳，未发生因不平衡引起的局部弯曲振动和因临界转速裕度不足引起的共振等问题。

如图1所示，本实施例中，压气机叶片盘1包括依次排布的轴流第一级叶片盘11、轴流第二级叶片盘12和离心叶轮13。上述压气机叶片盘1包括二级轴流级叶片盘和一级离心叶轮13，本发明不仅适用于二级轴流级叶，也适用于三级轴流级叶片、四级轴流级叶片盘等。可选地，轴流第二级叶片上设有沿压气机叶片盘1内腔伸出用于径向限位的第一轴颈121，第一轴颈121安装有处于轴流第一级叶片盘11的盘心位置的第一支撑件51。上述轴流第二级叶片盘12上设有第一轴颈121，第一支撑件51处于轴流第一级叶片盘11的盘心位置。合理的利用压气机试验件的转子组件的内部空间，节省转子组件跨距的距离，上述第一支撑件51处于轴流第一级叶片盘11的盘心位置，经过限元分析及强度、变形、振动试验分析，优选最佳的结构设计。可选地，第二支撑件52安装在离心叶轮13后端的第二轴颈131上。上述第二支撑件52在第二轴颈131上，平衡盘2与离心叶轮13连接，取消现有技术中端齿连接结构，降低加工成本。平衡盘2与离心叶采用连接止口配合进行转子稳定性试验研究。平衡盘2置于离心叶轮13后端，进行转子变形、理论分析及试验研究。平衡盘2置于离心叶轮13后的压气机试验件的转子组件，转子组件结构稳定，未引起局部弯曲振动，运转安全平稳。

如图1所示，本实施例中，第一支撑件51，包括用于转动连接处于第一轴颈121上的第一自由端、用于转动连接并与机匣固定连接的第二自由端；第一自由端与第二自由端通过滚珠轴承连接。第二支撑件52，包括用于转动连接处于第二轴颈131上第三自由端、用于转动连接并与机匣固定连接的第四自由端；第三自由端与第四自由端通过滚棒轴承连接。上述压气机试验件的转子组件采用2支点结构，滚棒轴承和滚珠轴承承受整个压气机试验件的重量和压气机试验件的转子组件的轴向力，通过滚珠轴承和滚棒轴承将轴向力传递给机匣，最终传递给试验台。

如图1所示，本实施例中，轴流第一级叶片盘11、轴流第二级叶片盘12与前轴颈采用一体结构。上述采用一体制作成型的整体结构增加压气机试验件的转子组件的刚性强度，并且其结构简单，制造成本低。

如图1所示，本实施例中，轴流第一级叶片盘111采用悬臂布设。上述轴流第一级叶片盘11、轴流第二级叶片盘12与前轴颈的一体结构设计包括有限元分析、强度，变形，振动试验分析，只有符合设计目标才会使用，否则会将一体结构进行优化设计。上述轴流第一级叶片盘11与轴流第二级叶片盘12之间可采用焊接连接。为满足第一轴颈121处于轴流第一级叶片盘11的盘心位置，先将第一级叶片盘11及带第一轴颈121的第二级叶片盘12粗加工完成后再焊接，焊接质量直接决定半成品件能否继续使用，因此对焊接工艺要求较高。

如图1所示，本实施例中，轴流第二级叶片盘12与离心叶轮13采用端齿定心传扭。离心叶轮13与平衡盘2采用止口定位连接。离心叶轮13与平衡盘2采用花键传扭。加强压气机试验件的转子组件结构稳定性。

如图1所示，本实施例中，平衡盘2与动力输入轴3采用止口定位连接、嵌套连接或多点螺栓连接中的至少一种。或者，平衡盘2与动力输入轴3采用多点连接、线连接或面连接中的至少一种。可选地，平衡盘2与动力输入轴3通过周向均布的螺栓连接。上述周向均布的螺栓连接有效减少动力输入轴段长度，简化平衡盘2与动力输入轴3连接结构，有效减小动力输入段的长度，缩短转子跨距长度，降低平衡盘2与动力输入轴3之间振幅过大的风险。可选地，平衡盘2与动力输入轴3连接处设有封严篦齿，有利于形成良好的密封。

如图1所示，本实施例中，中心拉杆4的第一端与平衡盘2采用螺纹连接，中心拉杆4的第二端贯穿并锁定第一轴颈121。中心拉杆4与第一轴颈121采用螺栓锁定、插销锁定、滑槽锁定、滑块锁定或楔块锁定中的至少一种。上述中心拉杆4拉紧压气机试验件的转子组件，并保证各级连接的可靠性个整体刚度。上述第一轴颈121设置在第一支撑件51处于轴流第一级叶片盘11的盘心位置，有效的减少中心拉杆4的长度，使得转子组件整体结构更加紧凑，减少转子组件的形变，降低振动风险。

如图1所示，本实施例中，第一支撑件51与机匣之间、第二支撑件52与机匣之间、压气机叶片盘1的后端腔与机匣之间或压气机叶片盘1与平衡盘2之间中的至少一处布设有封严篦齿。上述第一支撑件51的第二自由端和第二支撑件52的第四自由端装配于机匣上的轴承座，与轴承座上的封严涂层间隙配合，减少各部件的间隙，阻止空气泄漏，保证整个装置的稳定。

本实施例中，平衡盘2径向方向布设有封严篦齿与机匣间隙配合。平衡盘2的篦齿与机匣的内腔形成密封。可选地，平衡盘2的篦齿数量至少为7个，平衡盘2的篦齿为平齿。其篦齿数量可形式可根据实际情况设定。本实施例中，第一级叶片盘11上设置用于调整转子组件动平衡并在叶片盘11上可拆卸的平衡件。平衡件采用平衡块、平衡条或平衡面中的至少一种。通过增加或调整平衡件的数量及位置，可以调节压气机试验件的转子组件的动平衡精度，保证压气机试验件的转子组件稳定运行。

根据发明的另一方面，还提供一种压气机试验件，包括上述压气机试验件的转子组件。本发明的压气机试验件，采用压气机试验件的转子组件，通过显著减小了转子的支撑跨距，并保证压气机出口气流沿径向流出。压气机试验件结构简单，运转稳定，取得的试验数据稳定，符合发动机的试验要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。