航空发动机轴承装配条件对转子振动特性的影响

【类型】学位论文

【作者】蒋云帆 

【关键词】 航空发动机 装配工艺参数 发动机工况 轴承刚度 振动特性

【摘要】滚动轴承是航空发动机转子支承系统中承力和传力的核心部件,轴承的装配工艺参数是发动机设计和装配阶段的重要参数,对轴承的刚度特性有直接影响,进而影响转子系统的动力学特性和振动特性。因此,有必要将轴承的刚度特性和转子系统的振动特性与轴承的装配工艺参数和发动机工况结合起来进行研究,为发动机的转子动力学设计和整机振动抑制提供支持。针对发动机高速角接触球轴承、中介圆柱滚子轴承和外环固定的圆柱滚子轴承,建立了用于计算此三种轴承在冷态装配条件下及热态工作条件下的径向游隙和接触角的理论模型,讨论分析了轴承内、外环配合参数、轴承内、外环锁紧螺母拧紧力矩、发动机转速、轴承工作温度和中介支承结构形式等参数对轴承径向游隙和接触角的影响规律,为将上述参数引入轴承的刚度特性分析模型奠定了基础。分析结果表明,轴承的装配工艺参数和发动机的工况参数对轴承几何参数的影响较大,设计时应注意轴承的装配工艺参数、发动机工况参数、润滑参数、轴承几何参数和机械性能等相关参数的合理匹配,以提高轴承寿命,保证发动机稳定运转。建立了发动机高速角接触球轴承的刚度特性分析模型。模型中考虑了轴承内、外环配合参数、轴承内、外环锁紧螺母拧紧力矩等装配工艺参数,以及高压转子转速、轴承工作温度和联合载荷等发动机工况参数的综合影响,分析了某型机高压转子前轴承的径向刚度、轴向刚度和角刚度随上述参数的变化规律。结果表明,该轴承的刚度对锁紧螺母拧紧力矩不敏感,内、外环配合参数和发动机工况参数对该轴承的刚度影响较大,设计时应考虑该轴承的刚度变化对转子系统动力学特性的影响。以发动机中使用的圆柱滚子轴承为对象,分别建立了外环固定和内、外环同时旋转的高速圆柱滚子轴承的刚度特性分析模型。模型中综合考虑了轴承内、外环配合参数、轴承内、外环锁紧螺母拧紧力矩、发动机转速、轴承工作温度、径向载荷和弹流润滑等方面影响,对于中介轴承还涉及了内、外环的相对旋转方向和中介支承的结构形式(一种是中介轴承内环支承在低压转子上,外环支承在高压转子上;另一种是外环支承在低压转子上,内环支承在高压转子上)。分析了某型机低压涡轮后轴承和中介轴承的径向刚度随各参数的变化规律,结果表明,轴承的刚度对锁紧螺母拧紧力矩不敏感,内、外环配合参数和发动机工况参数对轴承的刚度影响较大,设计时应考虑轴承的刚度变化对转子系统动力学特性的影响;中介轴承的刚度同中介支承的结构形式和内、外环相对旋转方向紧密相关,设计时应结合发动机对于气动性能和动力学特性的要求,合理地选取中介支承的结构形式和高、低压转子的相对旋转方向,避免中介轴承的刚度变化给发动机的可靠性带来不利影响。针对某型机低压转子的结构特征和动力学特性,以某型机低压涡轮后轴承为对象,设计建造了全尺寸的轴承装配工艺参数模拟实验平台,该实验平台为国内首创,可用于开展轴承的内、外环配合关系和锁紧螺母拧紧力矩等参数对轴承刚度及转子系统振动特性影响的实验研究。在动力学方程的基础上,建立了振动测试和理论计算相结合的轴承刚度辨识方法,实验研究了轴承内、外环配合参数、锁紧螺母拧紧力矩、转速和转子不平衡量等参数对某型机低压涡轮后轴承刚度的影响规律。结果表明,内、外环为间隙配合时,支承刚度大幅度地随机跳动,不符合线性条件假设。线性条件下,实验结果与理论分析所反映的规律一致,即轴承内、外环过盈配合量增大,轴承刚度增大;转速升高,轴承刚度增大;该轴承的刚度对内、外环锁紧螺母拧紧力矩和转子不平衡量不敏感。实验研究了某型机低压涡轮后轴承内、外环配合关系、锁紧螺母拧紧力矩和转子不平衡量等参数对转子系统振动特性的影响,并在此基础上提出了轴承装配工艺准则。结果表明,内、外环为间隙配合时,转子系统出现了强非线性振动,增大锁紧螺母的拧紧力矩和提高转子的平衡精度对抑制非线性振动有一定作用,但非线性振动的强度依旧很高,设计时应结合发动机工况,保证内、外环在发动机的全工况范围内均不会出现间隙配合。该实验结果已在某型发动机中得到了应用。

【学位名称】博士

【学位授予单位】西北工业大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】廖明夫

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