航空发动机柔性转子动力特性及高速动平衡试验研究

论文摘要

转子是航空发动机的重要构件。随着科学技术的发展,航空涡轮轴发动机的性能不断提高,其动力涡轮转子正朝着高转速、大长径比的方向发展,工作转速往往高于弯曲临界转速,结构日益复杂。其动力特性有明显的特点,例如,对不平衡量引起的振动非常敏感,而高速转子不平衡引起的振动是整机振动的重要原因之一,因此,转子在装机使用前必须完成高速动平衡,且其平衡难度很大。本文结合某新型航空涡轮轴发动机动力涡轮转子的动力特性及高速动平衡问题开展研究,主要目的是解决发动机型号研制中的关键技术,重在试验研究。本文的研究成果已直接应用于型号研制,具有重大的国防和工程应用价值。主要研究内容如下:(1)针对动力涡轮转子空心、薄壁、大长径比、带弹性支承和挤压油膜阻尼器、传动轴内孔安装测扭基准轴、两级动力涡轮盘位于转子一端的结构特点,建立了动力涡轮转子动力特性的有限元计算模型;对发动机动力涡轮转子的动力特性——临界转速、振型和稳态不平衡响应进行了系统地计算分析;计算分析了转子上安装的弹性支承以及传动轴、测扭基准轴和动力涡轮盘这三个主要构件对转子动力特性的影响。(2)在高速旋转试验器上对发动机动力涡轮转子的动力特性进行了试验研究,验证了计算模型的正确性;研究了传动轴、测扭基准轴和动力涡轮盘这三个主要构件以及其它因素对转子动力特性的影响;完成了整个动力涡轮转子运行到105%额定工作转速的超速试验。(3)针对动力涡轮转子在进行高速动平衡试验时难以在传动轴上施加试配重和平衡配重的问题,提出了一种施加高速动平衡配重的有效方法,即通过精密平衡卡箍(平衡辅助工装)实现细长柔性转子高速动平衡的工艺方法。按照动平衡精度要求,精心设计了一组精密平衡卡箍;用有限元法对卡箍进行了强度校核;在两个模拟轴上完成了卡箍的验证考核试验;计算分析了平衡卡箍对动力涡轮转子动力特性的影响;最后,还对平衡卡箍进行了设计优化,有效地解决了转子高速动平衡中的一大难题。(4)在高速旋转试验器上对发动机动力涡轮转子的高速动平衡技术进行了研究,提出了“多转速、多平面、分步平衡”的影响系数平衡法;验证了平衡卡箍的使用性能和平衡性能;提出了动力涡轮转子动平衡三要素(测量面、平衡面、平衡转速)的确定原则;规范了平衡步骤和平衡工艺;给出了平衡判定准则——平衡判据;通过试验,提出了一种测扭基准轴不平衡量的估算方法。在试验研究的基础上,对原设计图纸有关低速动平衡和高速动平衡的技术要求提出了修改意见,并已在型号研制中实施。(5)对动力涡轮转子的高速动平衡技术在航空涡轮轴发动机整机减振中的作用进行了分析研究。(6)试验研究了动力涡轮转子的分解和重新装配所引起的装配不平衡对高速动平衡精度带来的不利影响,提出了动力涡轮单元体的高速动平衡试验方案并完成了发动机动力涡轮单元体的高速动平衡试验研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 转子动力特性研究
• 1.2.2 转子动平衡研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 涡轴发动机动力涡轮转子动力特性计算分析
• 2.1 引言
• 2.2 计算模型的建立
• 2.2.1 建模细则
• 2.2.2 计算模型
• 2.2.3 计算原始数据
• 2.3 计算结果及分析
• 2.3.1 临界转速
• 2.3.2 振型
• 2.3.3 不平衡响应
• 2.4 弹支刚度对动力涡轮转子动力特性的影响分析
• 2.4.1 对临界转速的影响
• 2.4.2 对振型的影响
• 2.4.3 对不平衡响应的影响
• 2.5 动力涡轮转子的主要构件对其动力特性的影响分析
• 2.5.1 计算原始数据
• 2.5.2 计算结果及分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 涡轴发动机动力涡轮转子动力特性试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验及测试设备
• 3.2.1 试验设备
• 3.2.2 测试设备
• 3.3 动力特性试验
• 3.3.1 试验准备
• 3.3.2 试验步骤
• 3.3.3 试验结果
• 3.3.4 影响动力涡轮转子动力特性的其它因素
• 3.4 动力涡轮转子的超速试验研究
• 3.4.1 支座振动加速度
• 3.4.2 转子挠度曲线
• 3.4.3 结果分析
• 3.4.4 超速试验小结
• 3.5 本章小结
• 第四章 细长柔性转子高速动平衡方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 传动轴组件在低速动平衡机上的振动特性
• 4.3 平衡卡箍的设计加工及强度校核
• 4.3.1 平衡卡箍的设计加工
• 4.3.2 平衡卡箍的强度校核
• 4.4 平衡卡箍的考核试验
• 4.4.1 在模拟轴上的考核试验
• 4.4.2 在动力涡轮模拟实心轴上的考核试验
• 4.5 平衡卡箍对发动机动力涡轮轴组件和转子动力特性的影响
• 4.5.1 理论分析
• 4.5.2 试验验证
• 4.6 平衡卡箍的设计优化
• 4.7 本章小结
• 第五章 涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡试验技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 动力涡轮转子的结构特点及平衡难点
• 5.3 动力涡轮转子的高速动平衡技术
• 5.3.1 动力涡轮转子的平衡特点
• 5.3.2 平衡要素的确定原则
• 5.3.3 平衡工艺
• 5.3.4 平衡判定准则——平衡判据的确定
• 5.4 高速动平衡试验
• 5.4.1 高速动平衡试验步骤
• 5.4.2 动力涡轮轴组件的高速动平衡试验
• 5.4.3 动力涡轮转子的高速动平衡试验
• 5.4.4 装实心传动轴动力涡轮转子的高速动平衡试验
• 5.4.5 有关高速动平衡试验几个重要问题的分析
• 5.5 测扭基准轴不平衡量的估算方法
• 5.5.1 通过高速动平衡试验估算测扭基准轴的不平衡量
• 5.5.2 分析与建议
• 5.6 本章小结
• 第六章 转子高速动平衡技术在涡轴发动机整机减振中的作用
• 6.1 引言
• 6.2 动力涡轮转子平衡破坏后的整机振动情况
• 6.2.1 振动和频谱分析
• 6.2.2 压气机转子前弹支应变
• 6.3 动力涡轮转子的重新高速动平衡试验情况
• 6.4 转子重新高速动平衡后的整机振动情况
• 6.4.1 振动和频谱分析
• 6.4.2 压气机转子前弹支应变
• 6.5 本章小结
• 第七章 涡轴发动机动力涡轮单元体高速动平衡试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 高速动平衡及装配不平衡考核试验及结果分析
• 7.2.1 高速动平衡及装配不平衡考核试验结果
• 7.2.2 特征转速下的挠度值对比分析
• 7.2.3 临界转速分析
• 7.2.4 高速动平衡及装配不平衡考核试验小结
• 7.3 动力涡轮单元体的高速动平衡试验
• 7.3.1 动力涡轮单元体的结构及其在试验中的安装与测试示意图
• 7.3.2 动力涡轮单元体的动力特性计算
• 7.3.3 动力涡轮单元体高速动平衡试验转接段的设计及后支座的调心
• 7.3.4 动力涡轮单元体的高速动平衡试验
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 进一步研究的方向
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文