一种整体叶盘动力学相似测试试验台的制作方法

本发明属于，特别是涉及一种基于动力学相似理论的带整体叶盘的转子系统试验台。

背景技术：

国外在航空发动机压气机的结构设计中，采用了整体叶盘这种先进结构，大大减轻了压气机转子的重量，减少了压气机转子的重量，减少了零件数目，并且还提高了发动机的工作效率。另一方面，先进的优化技术在航空发动机结构设计中的广泛应用使得结构设计更趋合理，对研制高性能的发动机起着重要作用。整体叶盘不仅应用在研制中和改进中的发动机上，而且还将用在未来推重比15—20的发动机上。

伴随着对航空发动机性能的要求越来越严格，高推重比的大型航空发动机的研发逐渐成为一个热点，对大尺寸的整体叶盘，不仅其固有频率高，物理尺寸大，且常扭型、振型非常不规则，在研发过程中对其直接进行实验，不仅花费的时间长，而且成本也非常大。

目前来看，对整体叶盘测试的实验装置大多为结构件的静态振动测试或低阶旋转振动测试，测试内容非常单一，测试能达到的频率也很低，而针对高速旋转整体叶盘的振动特性测试、模拟整体叶盘在压气机系统上的动力学特性测试及具备静态测试和旋转高阶测试功能的实验台不多见。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种整体叶盘的动力学相似测试实验台及测试方法，本发明能够满足结构件及压气机系统下的整体叶盘静态振动测试和动态振动测试，在基于动力学相似理论的条件下，对动力学相似模型整体叶盘进行试验，从而来预测原型整体叶盘的振动特性和故障特性，大大的缩短了实验周期，降低了实验成本。

为了实现上述功能，本发明采用如下技术方案：

一种整体叶盘动力学相似测试实验台，包括底座、转子驱动部分及数据采集部分，压气机系统下整体叶盘的测试中转子驱动部分包括电机、主轴、鼓筒、锥筒、篦齿、轮盘及整体叶盘，整体叶盘结构件测试时转子驱动部分包括电机、主轴、夹具及整体叶盘，所述电机的动力输出端与主轴的一端通过联轴器相固接，电机通过电机座固装在基座上，在主轴上的锥筒、鼓筒、轮盘及整体叶盘构成低压压气机系统，通过胀紧套固定在主轴上，主轴通过鼠笼、轴承座连接在基座上；

所述数据采集部分通过导电滑环支座将导电滑环穿过主轴固定在整体叶盘的右侧，将加速度传感器连在导电滑环内圈的线上，外圈的线连在lms测试系统上。如果是静态测试，直接将加速度传感器连接在lms测试系统上。

在所述基座上端面设置有t型槽，电机座、轴承座、导电滑环支座均通过t型槽固装在底座上。

采用所述的整体叶盘动力学相似测试试验台的能实现的功能如下

1)整体叶盘结构件的静态振动测试

2)低压压气机实验系统中整体叶盘的静态振动测试

3)整体叶盘结构件的旋转振动测试

4)低压压气机实验系统中整体叶盘的旋转振动测试

整体叶盘动力学相似测试试验台的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：选定研究用的原型整体叶盘，同时记录下原型整体叶盘的相关参数；

步骤二：根据动力学相似原理，通过原型整体叶盘的相关参数，确定实验用的模型整体叶盘相关参数；

步骤三：依照步骤二中确定的模型整体叶盘的相关参数，加工制造用于实验的模型整体叶盘；

步骤四：对于进行不同的试验，操作不同的步骤如下

试验一模型整体叶盘的结构件静态振动测试：

将加工好的模型整体叶盘依照原型整体叶盘的位置要求安装到主轴上，保证模型整体叶盘的牢固，通过3m胶将加速度传感器贴在整体叶盘的叶片上，此时模型整体叶盘静态振动测试前的准备工作完毕；

开始进行模型整体叶盘的静态振动测试，利用激振力锤依次敲击整体叶盘上预先画好的点，激振力锤会将敲击模型整体叶盘产生的数据，通过数据线传输给计算机，通过计算机对采集的数据进行处理，最终得到模型整体叶盘的静态固有频率ωm1；

试验二低压压气机实验系统中模型整体叶盘的静态振动测试：

将加工好的模型整体叶盘以及与之相连接的锥筒、鼓筒、篦齿等装配成压气机，将压气机依照原型压气机的位置要求安装到主轴上，保证压气机连接的牢固，通过3m胶将加速度传感器贴在整体叶盘的叶片上，此时压气机系统下模型整体叶盘静态振动测试前的准备工作完毕；

开始进行模型整体叶盘的静态振动测试，利用激振力锤依次敲击整体叶盘上预先画好的点，激振力锤会将敲击模型整体叶盘产生的数据，通过数据线传输给计算机，通过计算机对采集的数据进行处理，最终得到模型整体叶盘的静态固有频率ωm2；

试验三模型整体叶盘结构件的旋转振动测试：

在进行动态振动测试前，将加工好的模型整体叶盘依照原型整体叶盘的位置要求安装到主轴上，保证模型整体叶盘的牢固，在主轴上套上导电滑环，将导电滑环的外环固定在导电滑环支架上，用3m胶将加速度传感器贴在整体叶盘上，将传感器连接在导电滑环上，最后通过数据线与计算机相连接，此时模型整体叶盘动态振动测试前的准备工作完毕；

开始进行模型整体叶盘的动态振动测试，首先启动电机，通过电机带动叶盘转动，进而带动模型整体叶盘转动，此时的电机转速为之前计算得出的模型整体叶盘转速ωm1，在模型整体叶盘转动过程中，传感器不断的采集数据并将采集的数据传输给计算机，通过计算机对采集的数据进行处理，最终得到模型整体叶盘的各阶动态固有频率ωdm1；

试验四低压压气机实验系统中模型整体叶盘的旋转振动测试

在进行旋转振动测试前，将加工好的模型整体叶盘、锥筒、鼓筒及篦齿按照原型压气机结构装配在一起，依照原型压气机的位置要求安装到主轴上，保证模型低压压气机的牢固，在主轴上整体叶盘的右侧套上导电滑环，将导电滑环的外环固定在导电滑环支座上，用3m胶将加速度传感器贴在整体叶盘上，将传感器连接在导电滑环上，最后通过数据线与计算机相连接，此时模型整体叶盘旋转振动测试前的准备工作完毕；

开始进行模型整体叶盘的动态振动测试，首先启动电机，通过电机带动叶盘转动，进而带动模型整体叶盘转动，此时的电机转速为之前计算得出的模型整体叶盘转速ωm2，在模型整体叶盘转动过程中，传感器不断的采集数据并将采集的数据传输给计算机，通过计算机对采集的数据进行处理，最终得到模型整体叶盘的各阶动态固有频率ωdm2；

步骤五：通过对模型整体叶盘进行静态及动态振动测试所得的测试结果，预测原型整体叶盘的动力学特性。

步骤二中所述的根据动力学相似原理，通过原型整体叶盘的相关参数，确定实验用的模型整体叶盘相关参数，具体包括如下步骤：

步骤a：确定模型整体叶盘几何尺寸参数

结合原型整体叶盘和试验台几何空间，确定模型整体叶盘与原型整体叶盘各相关参数相似比，整体叶盘原型和模型几何尺寸参数的相似关系为：

λ＝gm/gp

其中，λ为整体叶盘原型与完全几何相似模型几何尺寸相似比，gm为模型整体叶盘几何尺寸，gp为原型整体叶盘几何尺寸。

步骤b：确定模型整体叶盘材料参数

模型整体叶盘的材料参数相似关系为：

λe＝em/ep

λρ＝ρm/ρp

λμ＝μm/μp

其中，λe为弹性模量相似比，em为整体叶盘相似模型弹性模量，ep为原型整体叶盘弹性模量，λρ为密度相似比，ρm为整体叶盘相似模型密度，ρp为原型整体叶盘密度，λμ为泊松比相似比，μm为整体叶盘相似模型泊松比，μp为原型整体叶盘泊松比；

步骤c：确定模型整体叶盘轮盘厚度

模型整体叶盘轮盘厚度的相似关系为：

λh＝hm/hp

其中，λh为整体叶盘轮盘厚度相似比，hm为模型整体叶盘轮盘厚度，hp为原型整体叶盘轮盘厚度。

模型整体叶盘轮盘厚度的确定方法为：首先通过ansys有限元仿真软件对原型进行模态分析，得到整体叶盘原型各阶固有频率及振型；对原型整体叶盘轮盘厚度进行敏感性分析，根据敏感性简化条件可为确定轮盘厚度相似因子提供参考；并通过改变整体叶盘轮盘厚度，从而确定整体叶盘原型轮盘厚度畸变相似模型振型的几何适用区间；在几何适用区间内选取轮盘厚度作为整体叶盘畸变相似模型轮盘厚度。

步骤d：确定整体叶盘畸变相似模型叶片长度

模型整体叶盘叶片长度的相似关系为：

λl＝lm/lp

其中，λl为畸变模型叶片长度相似比，lm为模型整体叶盘叶片长度，lp为原型整体叶盘叶片长度。

模型整体叶盘叶片长度的确定方法为：首先通过ansys有限元仿真软件对原型进行模态分析，得到整体叶盘原型各阶固有频率及振型；对原型整体叶盘叶片长度进行敏感性分析，为确定叶片长度相似因子提供参考；并通过改变整体叶盘叶片长度，从而确定整体叶盘原型叶片长度畸变相似模型振型的几何适用区间；在几何适用区间内选取叶片长度作为整体叶盘畸变相似模型叶片长度。

步骤五中所述的通过对模型整体叶盘结构件进行静态及动态振动测试所得的测试结果，预测原型整体叶盘的动力学特性，即预测原型整体叶盘的静态及动态固有频率，具体预测方法如下：

1)原型整体叶盘的静态、动态固有频率完全几何相似关系为：

静态：

动态：

其中，ωm为完全几何相似模型整体叶盘的静态固有频率，ωp为原型整体叶盘的静态固有频率，ωdm为完全几何相似模型整体叶盘的静态固有频率，ωdp为原型整体叶盘的静态固有频率，λg为几何尺寸相似比，λe为弹性模量相似比，λρ为密度相似比；

2)整体叶盘轮盘厚度畸变模型的静态、动态固有频率计算关系为：

静态：

动态：

其中，ωp为原型整体叶盘的静态固有频率，ωm为轮盘厚度模型整体叶盘的静态固有频率，ωdp为原型整体叶盘的动态固有频率，ωdm为轮盘厚度模型整体叶盘的动态固有频率，λω,p-t为原型与过渡模型固有频率相似比，λω,t-m为过渡模型与畸变模型固有频率相似比，λh,t-m为过渡模型与畸变模型轮盘厚度相似比，λp-t为几何尺寸完全相似比，λe为弹性模量相似比，λρ为密度相似比，α，β需根据敏感性分析结果确定。

3)整体叶盘叶片长度畸变模型的静态、动态固有频率计算关系为：

静态：

动态：

其中，ωp为原型整体叶盘的静态固有频率，ωm为叶片厚度模型整体叶盘的静态固有频率，ωdp为原型整体叶盘的动态固有频率，ωdm为叶片厚度模型整体叶盘的动态固有频率，λω,p-t为原型与过渡模型固有频率相似比，λω,t-m为过渡模型与畸变模型固有频率相似比，λl,t-m为过渡模型与畸变模型叶片长度相似比，λp-t为几何尺寸完全相似比，λe为弹性模量相似比，λρ为密度相似比，α，β需根据敏感性分析结果确定。在运用畸变模型计算原型固有频率时，使用2)、3)公式任意一个均可。

本发明的优点是：

本发明满足整体叶盘结构件和低压压气机实验系统下整体叶盘的静态振动测试和动态振动测试，在动态振动测试中，还可满足高阶旋转动态测试与预测，在结合动力学相似理论后，对动力学相似模型整体叶盘进行测试，来预测原型整体叶盘的振动特性和故障特性，降低了实验成本，缩短了实验周期。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的低压压气机结构示意图；

图3为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2、3所示，一种整体叶盘动力学相似测试实验台，包括基座2、转子驱动部分及数据采集部分，转子驱动部分包括电机9、主轴19、一级鼓筒12、二级鼓筒13、前锥筒11、后锥筒15、篦齿18、二级轮盘16、一级轮盘17及模型整体叶盘14。

所述电机9的动力输出端与主轴19的一端通过带尼龙绳的联轴器8相固接，电机9通过电机座1固装在基座上2，在主轴上的锥筒11、锥筒15、鼓筒12、鼓筒13、轮盘16、轮盘17、篦齿18及模型整体叶盘14构成低压压气机系统，通过胀紧套10固定在主轴19上，主轴19通过轴承座6、鼠笼20、端盖5及支撑座3连接在基座2上；所述数据采集部分通过导电滑环支座4将导电滑环7穿过主轴10固定在整体叶盘14的右侧，将加速度传感器连在导电滑环7内圈的线上，导电滑环7外圈的线连在lms系统上，如果是静态测试，直接将加速度传感器连接在lms系统上，lms系统通过网线连接计算机。

在所述基座2上端面设置有t型槽，电机座1、支撑座3、导电滑环支座4均通过t型槽固装在基座2上。

采用所述的整体叶盘动力学相似测试实验台的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：选定研究用的原型整体叶盘，同时记录下原型整体叶盘的相关参数，如表1所示：

表1原型整体叶盘的相关参数

步骤二：根据动力学相似原理，通过原型整体叶盘的相关参数，确定试验用的模型整体叶盘相关参数，具体包括如下步骤：

步骤a：确定完全几何相似模型整体叶盘几何尺寸参数；

结合原型整体叶盘和实验台几何空间，取整体叶盘过渡模型与原型完全几何相似因子为λ＝0.8，j代表相应的结构参数，由

λw＝wm/wp

λh＝hm/hp

λb＝bm/bp

λa＝am/ap

可得，wm＝21.44mm,hm＝1.6mm，bm＝20mm，am＝40mm；

其中，λw为宽度相似比，wm为模型整体叶盘叶片宽度，wp为原型整体叶盘叶片宽度；λh为叶片厚度相似比，hm为模型整体叶盘叶片厚度，hp为原型整体叶盘叶片厚度；λb为轮盘内径相似比，bm为模型整体叶盘轮盘内径，bp为原型整体叶盘轮盘内径；λa为轮盘外径相似比，am为模型整体叶盘轮盘外径，ap为原型整体叶盘轮盘外径。

步骤b：确定模型整体叶盘材料参数

原型整体叶盘的材料为铝合金，选定模型整体叶盘的材料为不锈钢，且模型整体叶盘的相应材料参数为em＝210gpa，ρm＝7850kg/m³，μm＝0.3，由

λe＝em/ep

λρ＝ρm/ρp

λμ＝μm/μp

可得，λe＝3，λρ＝2.91，λμ＝1；

其中，λe为弹性模量相似比，em为模型整体叶盘弹性模量，ep为原型整体叶盘弹性模量，λρ为密度相似比，ρm为模型整体叶盘密度，ρp为原型整体叶盘密度，λμ为泊松比相似比，μm为模型整体叶盘泊松比，μp为原型整体叶盘泊松比；

步骤c：确定畸变模型整体叶盘轮盘厚度

模型整体叶盘轮盘厚度的确定方法为：首先通过ansys有限元仿真软件对原型进行模态分析，得到整体叶盘原型各阶固有频率及振型；对原型整体叶盘轮盘厚度进行敏感性分析，根据敏感性简化条件可为确定轮盘厚度相似因子提供参考；并通过改变整体叶盘轮盘厚度，从而确定整体叶盘原型轮盘厚度畸变相似模型振型的几何适用区间；在几何适用区间内选取轮盘厚度作为整体叶盘畸变相似模型轮盘厚度。

考虑通过敏感性分析建立整体叶盘畸变相似模型，需要引入过渡模型λj,p-t，j为相应的结构参数，λj,p-t为原型与过渡模型相似比，本文中λj,p-t＝λ，λj,t-m为过渡模型与畸变模型相似比。

取λh,t-m＝0.85，由

λh＝hm/hp

可得，hm＝5.95mm。

其中，λh为轮盘厚度相似比，hm为模型整体叶盘轮盘厚度，hp为原型整体叶盘轮盘厚度。

步骤d：确定整体叶盘畸变相似模型叶片长度

模型整体叶盘叶片长度的确定方法为：首先通过ansys有限元仿真软件对原型进行模态分析，得到整体叶盘原型各阶固有频率及振型；对原型整体叶盘叶片长度进行敏感性分析，为确定叶片长度相似因子提供参考；并通过改变整体叶盘叶片长度，从而确定整体叶盘原型叶片长度畸变相似模型振型的几何适用区间；在几何适用区间内选取叶片长度作为整体叶盘畸变相似模型叶片长度；

取λl,t-m＝0.85，由

λl＝lm/lp

可得，lm＝42.5mm。

其中，λl为畸变相似模型叶片长度相似比，lm为模型整体叶盘叶片长度，lp为原型整体叶盘叶片长度。

步骤c、d中，其中一个按照畸变相似模型计算，另一个应按照完全相似模型计算，下表给出的数据为整体叶盘轮盘厚度按照畸变相似模型计算的结果。

模型整体叶盘的相关参数，如表2所示：

表2畸变整体叶盘的相关参数

步骤三：依照表2中的模型整体叶盘几何及材料相关参数，制造加工出实验用的模型整体叶盘。

步骤四：对已加工好的模型整体叶盘进行固有特性测试，包括模型整体叶盘的静态振动测试。

1)模型整体叶盘结构件的静态振动测试

测试试验件整体叶盘中心孔边缘开有8个螺纹通孔，便于将试验件紧固安装。所用位移传感器为加速度传感器，测试过程中用于锤击法多点激励，并由bk加速度传感器测得单点响应结果，最终由lms测试系统得到整体叶盘试验件固有频率及振型；在进行静态振动测试前，首先将夹具通过胀紧套固安装于主轴上，螺栓拧紧方式采用对称拧紧，保证夹具受力均匀并紧固。将整体叶盘试验件通过夹具固定于主轴上。将试验所用力锤通过测试线连接在lms测试系统通道1。测试选用bk4517加速度传感器，将其布置于整体叶盘叶根处，并通过加速度传感器测试线连接于lms测试系统通道2。将lms测试系统与装有lms测试软件的电脑通过网线相连接。

将电脑及lms测试系统连接电源并先打开电脑，再打开lms测试系统，观察lms测试系统所需各通道信号灯是否正常长亮。首先在电脑上设置力锤通道、加速度传感器测试通道灵敏度等相关参数。

在lms测试软件geometry模块建立原型整体叶盘平面模型，将建模过程分为三部分：a.圆环内径44mm处，建立18个节点，分别命名为1-18；b.轮盘中径72mm处，建立18个节点，分别命名为1a-18a；c.每一个叶片分为9个节点,节点名称分别为1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h、1j、1k，其它11个叶片命名方式类似。并用黑色签字笔在整体叶盘试验件上标记对应点。

开始进行模型整体叶盘的静态振动测试，利用型号为l-yd-312a的激振力锤依次敲击整体叶盘每个测试点，激振力锤会将敲击模型整体叶盘产生的数据，通过数据线传输到电脑，并通过lms系统进行数据采集和处理，最终得到原型及模型整体叶盘的静态固有频率。

步骤五：通过对模型整体叶盘进行静态振动测试所得的测试结果，预测原型整体叶盘的动力学特性，即预测原型整体叶盘的静态固有频率，具体预测方法如下：

1)原型整体叶盘的静态、动态固有频率完全几何相似关系为：

静态：

动态：

其中，ωm为完全几何相似模型整体叶盘的静态固有频率，ωp为原型整体叶盘的静态固有频率，ωdm为完全几何相似模型整体叶盘的静态固有频率，ωdp为原型整体叶盘的静态固有频率，λ为完全几何尺寸相似比，λe为弹性模量相似比，λρ为密度相似比。2)原型整体叶盘的动态固有频率完全几何相似关系为：

2)整体叶盘轮盘厚度畸变模型的静态、动态固有频率计算关系为：

静态：

动态：

其中，ωm为轮盘厚度畸变模型整体叶盘的静态固有频率，ωp为原型整体叶盘的静态固有频率，ωdm为轮盘厚度畸变模型整体叶盘的静态固有频率，ωdp为原型整体叶盘的静态固有频率，λω,p-t为原型与过渡模型固有频率相似比，λω,t-m为过渡模型与畸变模型固有频率相似比，，λh,t-m为过渡模型与畸变模型轮盘厚度相似比，λp-t为几何尺寸完全相似比，λe为弹性模量相似比，λρ为密度相似比；α，β需根据敏感性分析结果确定。

3)整体叶盘叶片长度畸变模型的静态、动态固有频率计算关系为：

静态：

动态：

其中，ωm为叶片长度畸变模型整体叶盘的静态固有频率，ωp为原型整体叶盘的静态固有频率，ωdm为叶片长度畸变模型整体叶盘的静态固有频率，ωdp为原型整体叶盘的静态固有频率，λω,p-t为原型与过渡模型固有频率相似比，λω,t-m为过渡模型与畸变模型固有频率相似比，λl,t-m为过渡模型与畸变模型叶片长度相似比，λp-t为几何尺寸完全相似比，λe为弹性模量相似比，λρ为密度相似比，α,β需根据敏感性分析结果确定。

在运用畸变模型计算原型固有频率时，使用2)、3)公式任意一个均可。