航空发动机模拟双转子实验器

本发明涉及航空发动机领域中的发动机双转子动力学特性的实验研究，具体是一种高压驱动电机转子与高压电机转子轴一体化设计的航空发动机模拟双转子实验器。

背景技术：

1、航空发动机双转子由于中介支承或共用支承的耦合作用，具有影响因素复杂、耦合作用强、以及模态多致使减振阻尼器难以设计等特点。由于导致发动机的振动因素除了结构外，还涉及到气动、密封、轴承、燃烧等诸多因素，在真实发动机上对上述动力学特性和减振阻尼器进行验证成本较高，且难于进行单因素的精准验证。为此，一般按照结构相近、动力学相似的准则，模拟发动机转动惯量和结构，设计航空发动机模拟双转子，以开展动力学设计方法、动力学特性、阻尼器减振和动平衡等技术的验证实验，其具有成本低、影响因素模拟精准、实施快捷等显著优势。

2、黄锴在202121060641.8的实用新型专利中公开了一种航空双转子综合振动测试实验台，采用电机或气体涡轮驱动机通过皮带传动组件或锥齿轮组件连接空心轴带动试验台转子旋转。皮带和锥齿轮组件传动效率较低、传动精度较差、结构较为复杂，需要安装较多的附件和支撑结构，对于一些空间受限的应用场合无法应用。

3、王瑞、廖明夫等在“带中介轴承双转子系统‘可容模态’优化设计及实验”[j].推进技术,2023,44(05):247-263.中提出双转子实验器系统结构方案，在第五支点轴承后设置有低压驱动电机，通过柔性联轴器直接驱动低压转子，第二支点轴承与第三支点轴承之间设置有空心结构的高压驱动电机，通过柔性联轴器直接驱动高压转子。在模型相似设计过程中，分别计算低压转子和高压转子的模态置信度，为保证双转子系统的总体动力学相似，牺牲了部分高压转子的模态置信度，高压转子模态振型的综合相似度小于低压转子模态振型的综合相似度。

4、这是因为双转子模拟实验器方案中高压驱动电机占据了一段轴向位置，使得高压转子系统整体尺寸受到限制而变短，因此模拟双转子实验器低压转子和高压转子无法保持相同的相似比，无法保证模拟双转子实验器系统与原发动机转子在振型和临界转速上比例相似。

5、计算实验器模型在低压激励和高压激励条件下各阶模态的应变能分布，结果表明，高压激励下第四阶模态中，中介轴承应变能占比达到了15.8％，高压激励第四阶模态存在一定的振动风险，造成这个现象的原因是，在发动机模型中，高压主振型模态下的高压轴应变能超过10％，但双转子模拟实验器方案中高压驱动电机占据了一段轴向位置，使得高压转子系统整体尺寸受到限制而变短，刚性大于发动机模型，造成部分应变能集中于中介轴承上。

技术实现思路

1、为克服现有双转子实验器系统结构较为复杂、高低压转子无法保证相同的相似比，模拟双转子实验器系统与原发动机转子在振型和临界转速上无法保证比例相似，部分应变能集中于中介轴承的问题，本发明提出了一种航空发动机模拟双转子实验器。

2、本发明提出的航空发动机模拟双转子实验器分为带有中介轴承的航空发动机模拟双转子实验器和有共用支承的航空发动机模拟双转子实验器。包括第一支点轴承、第一支撑、第一锥壁、低压风扇盘、第二锥壁、第二支点轴承、第三支点轴承、第二支撑、高压前锥壁、高压压气机盘、高压鼓筒、高压电机转子轴、高压电机转子、高压电机定子、高压电机基座、高压涡轮盘、高压后锥壁、第四支点轴承、低压涡轮盘、低压转轴、第五支点轴承、第三支撑和底座。其中：

3、该第一支撑和第二支撑位于该高压电机转子轴的一端，第三支撑位于该高压电机转子轴的另一端。所述第一支撑与第二支撑之间有低压风扇盘，该低压风扇盘的一个端面上固定有第一锥壁，并使该第一锥壁的支撑套安装在第一支点轴承内；所述第一支点轴承的支承座固定在所述第一支撑的内孔壁面上。该低压风扇盘的另一个端面上固定有第二锥壁，并使该第二锥壁的支撑套安装在第二支点轴承内；所述第二支点轴承的支承座固定在该第二支撑的内孔壁面上。

4、在该第二支撑与所述高压电机转子轴之间有三个高压压气机盘，并通过高压鼓筒将各高压压气机盘之间连接为刚性整体。所述三个高压压气机盘中，位于一边的高压压气机盘的端面固定有高压前锥壁，并使该高压前锥壁的支撑套安装在第三支点轴承中；该第三支点轴承亦通过支承座安装在第二支撑的内孔壁面上；高压压气机盘的另一端面与所述高压电机转子轴一端的支撑锥套固连。

5、在所述中介轴承的航空发动机模拟双转子实验器中，所述高压涡轮盘位于所述高压电机转子轴与低压转轴之间，并通过高压电机转子轴的法兰与该高压涡轮盘端面的法兰固连；该高压涡轮盘另一端端面固定有高压后锥壁，并使该高压后锥壁的支撑套安装在第四支点轴承中；所述第四支点轴承通过支承座安装在该高压后锥壁的外圆周表面，第五支点轴承通过支承座安装在该第三支撑的内圆周表面；所述低压涡轮盘固定在该低压转轴转盘内端面的外缘处。

6、在所述有共用支承的航空发动机模拟双转子实验器中，所述高压涡轮盘位于该高压电机转子轴与低压转轴的转盘之间，并通过高压电机转子轴的法兰与该高压涡轮盘端面的法兰固连；该高压涡轮盘另一端端面固定有高压后锥壁，并使该高压后锥壁的支撑套安装在第四支点轴承中；所述第四支点轴承与第五支点轴承分别通过支承座安装在该第三支撑的内表面，并且该第四支点轴承安装在所述高压后锥壁的外圆周表面，第五支点轴承安装在该低压转轴的外圆周表面；所述低压涡轮盘固定在该低压转轴的转盘的内表面，并使该低压涡轮盘位于该低压转轴内端面的外缘处。

7、所述高压电机转子轴、三个高压压气机盘、高压涡轮盘和低压涡轮盘均套装在所述低压转轴上，与低压转轴同轴配装。

8、所述第二锥壁的支撑套的内圆周表面与该低压轴干涉配合。在第五支点轴承后设置有低压驱动电机，第三支点轴承与第四支点轴承之间设置有与高压电机转子轴同轴的高压驱动电机。

9、在所述有共用支承的航空发动机模拟双转子实验器中，所述第三支撑的两个端面分别有第四支点轴承和第五支点轴承，并使该第四支点轴承套装在所述高压后锥壁的外圆周表面，使该第五支点轴承套装在所述低压转轴的圆周表面。所述低压涡轮盘固定在该低压转轴内端面的外缘处。

10、高压驱动电机包括高压电机转子、高压电机定子和高压电机基座。该高压电机转子轴的外圆周上套装有高压电机转子，所述高压电机转子和高压电机定子位于所述高压电机基座内。

11、所述高压电机转子轴的两端分别与所述高压压气机盘和高压涡轮盘固连；在该高压电机转子轴的一端为外扩的支撑锥套，该支撑锥套外端端口处的有径向的竖直板，形成了与所述高压压气机盘配合的连接板；在该高压电机转子轴的另一端端口处有与所述高压涡轮盘端面连接的法兰。所述高压电机转子被套装在该高压电机转子轴的外圆周表面，高压电机转子与高压电机转子轴同轴安装，并使二者之间过盈配合，并通过该高压电机转子轴上的定位凸台实现该高压电机转子轴向定位。所述高压电机定子被套装在该高压电机转子的外圆周表面，所述高压电机转子与高压电机定子之间有装配间隙。

12、所述三个高压压气机盘的结构相同。各高压压气机盘的中心均有所述低压轴的过孔。各高压压气机盘的两个盘面均为台阶面；在靠近所述过孔处的阶梯差的圆周面为所述高压前锥壁的定位面，靠近各高压压气机盘外缘处的凹槽为连接件安装槽，以所述高压鼓筒作为三个高压压气机盘的连接件，通过各高压鼓筒将三个高压压气机盘刚性连接。靠近所述高压电机转子驱动装置的高压压气机盘的连接件安装槽用于安装所述高压电机转子轴的支撑锥套的连接板。

13、所述高压鼓筒的两端端面处分别有径向凸出的固定板。

14、所述第一支撑、第二支撑和第三支撑结构相同，均为圆环状。在各第一支撑、第二支撑和第三支撑的内圆周表面分别有径向凸出的连接板，并使所述连接板均位于所述各支点轴承的轴承座的外壁面。所述第一支撑的连接板与所述第一支点轴承的轴承座固连，第二支撑的连接板的两端面分别与所述第二支点轴承的轴承座和第三支点轴承的轴承座固连。

15、所述高压前锥壁与高压后锥壁结构相同，并互为镜像。该高压前锥壁与高压后锥壁均为环形件，由等径段和外扩的锥段组成，其等径段的内径孔为所述低压轴的过孔。所述锥段端头处有径向的连接板。

16、所述低压风扇盘与高压涡轮盘16结构相同，并互为镜像。该低压风扇盘与高压涡轮盘的中心有通孔。在该低压风扇盘两端的盘面上均有所述和第一锥壁和第二锥壁的安装面。在该高压涡轮盘两端的盘面上均有高压后锥壁和高压电机转子轴法兰的安装面。

17、所述第一锥壁和第二锥壁结构相同，并互为镜像。该第一锥壁和第二锥壁均由等径段和外扩的锥段组成，其等径段中心有通孔。所述锥段端头处有径向的连接板。

18、所述低压涡轮盘通过连接板固定在所述低压转轴与高压涡轮盘相邻的盘面上。

19、本发明是一种高压电机转子与高压电机转子轴一体化设计的航空发动机模拟双转子实验器，高压驱动电机不会占据轴向位置，低压转子与高压转子的长度差减小，模拟双转子实验器低压转子和高压转子相似比大致相同，保证模拟双转子实验器系统与原发动机转子在振型和临界转速上比例相似，解决了高压激励下第四阶模态中存在的中介轴承应变能占比较大的问题；同时省去了高压电机驱动的中间传动环节，如所述的电机联轴器、皮带以及齿轮，一定程度上避免了皮带过载打滑导致转子传动比不稳定的状况以及齿轮传动时的附加振动、冲击，双转子实验器运行状态更为平稳；高压电机转子与高压电机转子轴一体化设计减少了零部件数量，简化设备结构，提高了电机的功率密度，降低了故障率。

20、本发明是结合目前航空发动机双转子普遍存在的两种支承结构而提出的航空发动机模拟双转子实验器。高压驱动电机与航空发动机模拟双转子实验器共用实验器轴承，忽略了由于空心电机转子直径过大导致轴承线速度过大的问题，避免了由于轴承的选择使得高压驱动电机的空心直径过小以及高压轴颈较小的问题，为实现动力学相似提供了基础。

21、为了缩短发动机支点跨度，减轻发动机质量，现代航空发动机双转子系统通常多采用带有中介轴承的支承方案，如普惠的f119、俄罗斯的al-31f以及ge的cfm56系列等，中介轴承位于高低压轴之间，中介轴承内、外圈分别跟随高、低压转子，起到一个中介的作用。在实施例1中公开的是有中介轴承的航空发动机模拟双转子实验器，此时第四支点轴承充当中介轴承，第四支点轴承内圈跟随高压后锥壁，外圈跟随低压转子，低压转子与高压转子通过第四支点轴承连接以相对转动，第四支点轴承与第五支点轴承分别作为高压电机转子前后轴承。

22、近年来，涡轮级间共用承力框架在先进航空发动机承力系统中广为采用，如ge公司的genx、ge90，rr公司ej200、mtr390等。共用支承结构支承着低压涡轮后支点与高压涡轮前支点，同时承载两个不同转速转子之间的振动传递，是发动机轻量化、提高效率的重要途径之一。在实施例2中公开的是即带有共用支承的航空发动机模拟双转子实验器，第四支点轴承与第五支点轴承共用第三支撑，第三支点轴承与第四支点轴承分别作为高压电机转子前后轴承，引导轴的旋转，并承受轴上空转的部件。

23、所述第一锥壁与低压风扇盘通过螺栓进行连接和固定，所述低压风扇盘与第二锥壁通过螺栓进行连接和固定，所述第二支点轴承与第三支点轴承共用第二支撑，高压前锥壁与高压压气机盘通过螺栓进行连接和固定，高压压气机盘组件包括高压压气机盘以及高压鼓筒，三级高压压气机盘与压气机盘间的两级高压鼓筒通过螺栓进行连接和固定，所述高压电机转子轴同时与高压压气机盘和高压涡轮盘通过螺栓加上防松螺母轴向连接，高压电机转子轴上设有拆除顶丝螺纹，便于拆卸。

24、本发明中，高压驱动电机包括高压电机转子、高压电机定子、高压电机基座，所述高压驱动电机用地脚安装在基础构件上。本发明中的高压驱动电机是采用永磁材料制成的磁钢型转子，高压电机转子固定连接于高压电机转子轴外圈且同轴配装，大幅减少了制造成本以及装配、拆卸难度。为防止碰摩对旋转机械转子的振动产生影响，高压电机转子与高压电机定子在径向存在一定大小的气隙，气隙的大小可以根据转子材料、电机功率等参数进行调整；高压电机定子产生旋转磁场，对高压电机转子产生力矩作用并输出机械功率带动高压电机转子轴旋转，从而实现模拟双转子实验器高压电机转子部分的驱动。

25、在附图中给出了与真实航空发动机双转子结构相似的两种航空发动机模拟实验器：第一种为带有中介轴承的航空发动机模拟双转子实验器，第四支点轴承18作为中介轴承；第二种为带有共用支承的航空发动机模拟双转子实验器，第四支点轴承18与第五支点轴承21共用第三支撑。本发明是一种高压驱动电机转子与高压电机转子轴一体化设计的航空发动机模拟双转子实验器，无论是带有中介支承、还是带有共用支承，上述高、低压驱动方式均能保证模拟双转子实验器系统的有效驱动，拓宽了本发明的适用范围。

26、本发明提出了一种航空双转子实验器的转子驱动结构，根据高压转子系统与低压转子系统之间不同的耦合方式，如图1、2所示，主要介绍带有中介轴承以及带有共用支承的航空发动机模拟双转子实验器结构示意图。

27、其中，带有中介轴承的航空发动机模拟双转子实验器，低压转子系统与高压转子系统之间通过中介轴承相互耦合，即高压电机转子轴与低压转子轴通过中介轴承连接，低压转子轴与高压电机转子轴通过中介轴承套和调心轴承连接以相对转动。中介轴承的内圈与高压电机转子轴一起转动，外圈与低压转子轴一起转动，中介轴承用于模拟实际双转子航空发动机中高低压转子相互耦合的情况，从而保证低压转子轴和高压电机转子轴的相对高速转动，模拟双转子耦合特性。对于带有中介轴承的航空发动机模拟双转子实验器，第三支点轴承与第五支点轴承分别作为高压驱动电机前后轴承，引导轴的旋转，并承受轴上空转的部件。

28、对于带有共用支承的航空发动机模拟双转子实验器，第四支点轴承座与低压转子系统第五支点轴承座共用同一支承，第三支点轴承与第四支点轴承分别作为高压驱动电机前后轴承，引导轴的旋转，并承受轴上空转的部件。

29、本发明采用高压电机转子一体化驱动电机，解决了双转子实验器高压电机转子驱动的难题，高压电机转子与高压电机转子轴共用公共转轴，电机输出机械功率带动高压电机转子旋转。高压驱动电机与模拟双转子实验器共用轴承，选定满足尺寸、载荷以及转速要求的轴承，轴承线速度大小满足要求，避免了空心电机转子直径过大，轴承线速度过大的问题；高压驱动电机与高压电机转子轴同轴装配，实现了模拟双转子实验器与真实发动机的结构相近动力学相似。

30、在第五支点轴承后设置有低压驱动电机，高、低压驱动电机同轴驱动模拟发动机'转子系统的运动。

31、本发明中，高压驱动电机的高压电机转子固定连接于模拟高压电机转子轴外圈，两者共用公共转轴且同轴配装。对于带有中介轴承的航空发动机模拟双转子实验器，第四支点轴承作为中介轴承，内圈跟随高压后锥壁，外圈跟随低压转轴，低压转轴与高压电机转子轴通过中介轴承套和高压后轴承连接以相对转动，第三支点轴承与第五支点轴承分别作为高压电机转子前后轴承；对于带有共用支承的航空发动机模拟双转子实验器，第四支点轴承18与第五支点轴承共用第三支撑，第三支点轴承与第四支点轴承分别作为高压电机转子前后轴承，引导轴的旋转，并承受轴上空转的部件。高压驱动电机与模拟双转子实验器共用轴承，忽略了由于空心电机转子直径过大以及轴承线速度过大导致高速轴承难以购买的问题，避免了由于轴承的选择高压驱动电机的空心直径过小以及高压轴颈较小的问题，为实现动力学相似提供了基础。

32、所述第一锥壁与低压风扇盘通过螺栓进行连接和固定，所述低压风扇盘与第二锥壁通过螺栓进行连接和固定，所述第二支点轴承与第三支点轴承共用第二支撑，高压前锥壁与高压压气机盘通过螺栓进行连接和固定，高压压气机盘组件包括高压压气机盘以及高压鼓筒，三级高压压气机盘与压气机盘间的两级高压鼓筒通过螺栓进行连接和固定，所述高压电机转子轴同时与高压压气机盘和高压涡轮盘通过螺栓加上防松螺母轴向连接，高压电机转子轴上设有拆除顶丝螺纹，便于拆卸。

33、所述高压电机基座用地脚安装在基础构件上，高压电机定子产生旋转磁场，对高压电机转子产生力矩作用并输出机械功率带动高压电机转子轴旋转，从而驱动整个模拟双转子的高压电机转子实验器。所述高压电机转子是采用永磁材料制成的磁钢型转子，高压电机转子套装在高压电机转子轴上。所述高压电机转子与高压电机定子在径向存在一定大小的气隙，从而防止高压电机定子与高压电机转子之间发生碰摩，对旋转机械转子的振动产生影响；所述高压电机转子轴与高压电机转子同轴配装，大幅减少了制造成本以及装配、拆卸难度，实验器实施方便。

34、刘准,廖明夫等在“轴承共腔结构涡轴发动机相似模型设计”[j].航空发动机,2021,47(03):16-22.中指出，在双转子系统的动力学相似设计过程中，最为重要的是模态振型相似，参量模态置信度(mac)和关联模态置信度(comac)常被用来评价相似模型与参考原型之间的相似度。

35、模态振型置信度mac(modal assurance criterion)是对2种模态振型一致性的度量，定义为2个模态振型的夹角余弦值的平方

36、

37、多模态振型置信度comac(coordinate modal assurance criterion)是模态保证准则的扩展，综合反映了多阶模态的模态振型的总体一致性

38、

39、其中，ψpi表示参考原型的第i阶模态振型向量；ψmi表示相似模型的第i阶振型向量，n表示设计范围内的模态振型阶数。

40、将上述“带中介轴承双转子系统‘可容模态’优化设计及实验”[j].推进技术,2023,44(05):247-263.文献中提出的模拟双转子实验器模型定义为初始双转子模型25，将本发明提出的高压电机转子轴与高压电机转子一体化设计的航空发动机模拟双转子实验器定义为改进双转子模型24，分别计算初始双转子模型以及改进双转子模型在高压激励、低压激励时各阶模态的置信度，如图5所示。我们可以看出，高压电机转子轴与高压电机转子一体化设计的模拟双转子实验器对应的改进双转子模型各阶模态置信度均大于初始各阶模态置信度，尤其是高压激励下模拟双转子系统的各阶模态，均达到了90％以上。高压驱动电机转子与高压电机转子轴一体化设计的航空发动机模拟双转子实验器，高压驱动电机不会占据轴向位置，低压转子与高压转子的长度差减小，模拟双转子实验器低压转子和高压转子相似比相同，保证模拟双转子实验器系统与原发动机转子在振型和临界转速上比例相似。

41、高压激励下初始双转子模型临界转速及应变能分布

42、

43、

44、高压激励下改进双转子模型临界转速及应变能分布

45、 阶次 第4阶 <![cdata[临界转速/(r·min^-1)]]> 6625 转子轴系总应变能占比 12.24％ 低压转子轴系应变能占比 0.95％ 高压转子轴系应变能占比 11.29％ 第一支点轴承应变能占比 0.24％ 第二支点轴承应变能占比 0.17％ 第三支点轴承应变能占比 80.47％ 第四支点轴承应变能占比 1.20％ 第五支点轴承应变能占比 5.68％

46、带有中介支承的双转子模拟试验件，转子支承方式与发动机相同，转子具备稳态运行和变转速运行的条件。对带有中介支承的模拟双转子进行测试试验，根据试验测试数据，绘制转子的幅频特性曲线，其中幅频曲线主要采用高低压转子同频一倍频幅值；同时，分别取各阶临界转速处转子各测点同方向的振动幅值，图6为低压转子同频幅频响应曲线，所选择的测点为风扇盘26和低压涡轮盘27，图7为高压转子同频幅频响应曲线，所选择的测点为压气机盘28和高压涡轮盘29。

47、图6、图7显示了选定测点处低压转子以及高压转子幅频响应曲线，采用高压电机转子轴与高压电机转子一体化设计的航空发动机模拟双转子实验器能够平稳运行至要求转速，幅频响应曲线能够显示转子系统各阶临界转速范围内的不平衡响应，模拟双转子实验器实验效果较为理想。