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与流程

本发明涉及电机领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明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。

本发明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。

本发明的有益效果在于：

1、本发明结构简单，所使用的圆盘为对开式，在无需拆卸涡轴发动机转子模拟实验装置轴承座或联轴器的情况下，可以对其中一个或几个模拟压气机盘、燃气涡轮盘和自由涡轮盘的圆盘进行拆卸，模拟不同涡轴发动机机型的压气机、燃气涡轮和自由涡轮，便于更换不同尺寸的圆盘，以改变转子系统的临界转速以及振型，模拟不同不平衡量对整机振动影响，且结构简单，易于安装与拆卸。

2、本发明可模拟涡轴发动机的压气机、燃气涡轮和自由涡轮的不同阶次振型不平衡特性，可以研究具有多个转盘结构形式的内外双转子涡轴发动机不平衡振动特性。

3、本发明所使用的设计方法以实际双转子涡轴发动机原型机的临界转速和振型为主要参照依据，以其结构形式和运行参数为参考条件，设计的模拟实验装置表现出的转子动力学特征形式和实际情况吻合度高。

附图说明

图1为为本发明设计方法的流程图。

图2为本发明模拟装置的结构示意图。

图3为图2中可拆卸对开式圆盘的剖面图。

图4为图2中可拆卸对开式圆盘的正视图。

图5为图2中可拆卸对开式圆盘的侧视图。

图6为模拟某型涡轴发动机结构示意图。

图7为某型涡轴发动机自由涡轮前置振型图。

图8为某型涡轴发动机燃气涡轮前置振型图。

图9为某型涡轴发动机自由涡轮后置振型图。

图10为某型涡轴发动机燃气涡轮后置振型图。

图11为某型涡轴发动机多个转盘不平衡位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟方法，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）以双转子结构涡轴发动机原型机的前两阶临界转速及其振型为主，考虑原型机的实际结构以及实际运行参数，如：温度场、润滑油粘度等，基于动力学特性相似原则，通过移动可拆卸对开式圆盘20在轴上的位置，以及改变可移动式轴承座1之间的距离来改变转子系统的刚度k；通过改变可拆卸对开式圆盘20的大小来改变转子系统的质量m。由刚度k和质量m的变化，使设计的模拟实验台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）各转子和对应的原型机转子振型相似，即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。

如图2所示，一种基于上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，包括不同转子上多转盘不平衡大小、轴向位置、相位差及相互之间的组合形式。

双转子结构涡轴发动机不平衡特性模拟装置包括基座21、可移动式轴承座1、内转子13、外转子14、可拆卸对开式圆盘20、测试系统、第一电机12和第二电机18；第一电机12通过第一平键11和联轴器10相连，联轴器10和内转子13相连，内转子13从外转子14内穿过，内转子13和外转子14两端均通过可移动式轴承座1安装在基座21上；外转子14上套设第一皮带轮4，外转子14上的模拟压气机区5内、外转子14上的模拟燃气涡轮区6内、内转子13上的模拟自由涡轮区8内均设有可拆卸对开式圆盘20；第二电机18通过第二平键17和第二皮带轮16相连，第二皮带轮16通过皮带15带动外转子14上的第一皮带轮4，从而驱动外转子14；测试系统包括用于测量内转子13转速的第一齿盘2、用于测量外转子14转速的第二齿盘3、用于测量内转子13相位的第一键相盘9、用于测量外转子14相位的第二键相盘7、加速度传感器、电涡流传感器和控制柜19，第一齿盘2和第一键相盘9安装在内转子13两端；第二齿盘3和第二键相盘7安装在外转子14两端；加速度传感器安装在可移动式轴承座1上，多个电涡流传感器分别安装在内转子13和外转子14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19，同时控制柜19控制内转子13和外转子14的转速。

如图3、图4、图5所示，所述可拆卸对开式圆盘20沿竖直方向剖开，剖面用螺栓22、螺母23连接固定，同时为了减小因剖分处连接件所带来的不平衡量，从结构上保障可拆卸对开式圆盘质量沿回转中心呈均匀对称分布，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22与螺母23。

所述可拆卸对开式圆盘20上开有多个环形槽，环形槽内设有防松螺母26，配重块24通过内六角螺栓25拧入环形槽内的防松螺母26中，采用楔形胀紧套将可拆卸对开式圆盘20固定在直线光轴上的轴向位置；可在环形槽任意位置进行不平衡配合，可以在不同环形槽、不同角度位置安装不同数量以及不同规格的配重块24，以模拟该可拆卸对开式圆盘20所处位置上的不同不平衡量大小。

如图6所示，在所述内转子13的模拟自由涡轮区8安装两个可拆卸对开式圆盘20以模拟涡轴发动机的两级自由涡轮盘；在外转子14的模拟压气机区5安装四个可拆卸对开式圆盘20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，在外转子14的模拟燃气涡轮区6安装两个可拆卸对开式圆盘20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5、模拟燃气涡轮区6和模拟自由涡轮区8中设置不同数量、不同规格的可拆卸对开式圆盘20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。

所述可移动式轴承座1包括轴承座、埋头螺栓，所述基座21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21上移动可移动式轴承座1以改变跨距；通过在基座21不同轴向位置上安装或拆卸可移动式轴承座1以改变不同的支撑形式。

本发明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20、可移动式轴承座1、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。

本发明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，在无需拆卸轴承座的基础上，快速更换多级可拆卸对开式圆盘20以及调整可拆卸对开式圆盘20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(包括一阶振型不平衡、二阶振型不平衡，即不平衡量大小与相位差组合)对双转子涡轴发动机振动的影响、三转盘上不平衡(包括一阶振型不平衡、二阶振型不平衡，即不平衡量大小与相位差组合)对双转子涡轴发动机振动的影响。

如图7、图8所示，实验台模拟的某型双转子涡轴发动机，将自由涡轮和燃气涡轮前置，即置于支承之前所得的振型，其中内转子13的前两阶振型表现为柔性模态，一阶振型没有节点，二阶振型有一个节点；外转子14的前两阶振型表现为刚体模态，一阶振型没有节点，二阶振型有一个节点。

如图9、图10所示，所述实验台模拟的某型双转子涡轴发动机，将自由涡轮和燃气涡轮后置，即置于支承之后所得的振型。同自由涡轮和燃气涡轮前置相比，内转子13和外转子14的振型发生了变化，其不平衡特性也发生了相应的变化。根据不同的振型形式，转子实验台添加不平衡位置有不同，对转子实验台的不平衡添加量有指导意义。

如图11所示，所述实验台模拟某型内外双转子涡轴发动机，其模拟压气机区5、模拟燃气涡轮区6和模拟自由涡轮区8中不同区域、不同数量以及不同方向的不平衡。可以单独在模拟压气机区5、模拟燃气涡轮区6和模拟自由涡轮区8中一个区域模拟多个不同数量、不同大小和不同方向的不平衡；可以在模拟压气机区5、模拟燃气涡轮区6和模拟自由涡轮区8中两个区域模拟多个不同数量、不同大小和不同方向的不平衡；可以在模拟压气机区5、模拟燃气涡轮区6和模拟自由涡轮区8中三个区域模拟多个不同数量、不同大小和不同方向的不平衡。如：在模拟压气机区5中一级轴流式压气机上添加一个不平衡以及在离心式压气机上添加和一级轴流式压气机相反方向的不平衡；同时在模拟燃气涡轮区6中一级燃气涡轮添加和模拟自由涡轮区8二级自由涡轮相同的不平衡。以此类推，可以对模拟压气机区5、模拟燃气涡轮区6和模拟自由涡轮区8中的不平衡进行不同位置、大小以及相位组合形式进行研究。

基于该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，含有光轴、可拆卸对开式圆盘20和可移动式轴承座1。光轴可使得可拆卸对开式圆盘20和可移动式轴承座1可以在无需更换轴的情况下，沿轴线方向进行移动，方便调整可拆卸对开式圆盘20在轴上质量分布，以及可移动式轴承座1的跨距调整；可拆卸对开式圆盘20可以在不拆卸轴承座的情况下，进行圆盘质量大小的更换。通过光轴、可拆卸对开式圆盘20和可移动式轴承座1，可快速方便进行圆盘质量分布的变化、轴承座跨距的改变以及圆盘质量大小的更换。

基于该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，通过可拆卸对开式圆盘20上设置的环形槽，可以设置任意相位的不平衡，以模拟不平衡的相位；在模拟压气机区5、模拟燃气涡轮区6和模拟自由涡轮区8设置的不同可拆卸对开式圆盘20上添加不同的不平衡，以模拟不平衡位置；结合上述两种，更改不平衡大小，以模拟不平衡的大小。