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航空发动机柔性转子动力特性及高速动平衡试验研究

邓旺群  
【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。


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