[發明專利]一種航空發動機轉靜子裝配葉尖間隙的預測方法

有效

• 申請號: 202010065955.0
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111241609B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 孫惠斌;王靜;陳凱;夏華騰;袁劍;常智勇;王昱;鄧王倩
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;中國航發南方工業有限公司
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G06F30/20;G06F30/15;G01B21/16;G01B21/04
• 代理公司: 西安維賽恩專利代理事務所(普通合伙) 61257
• 代理人: 劉春

1.一種航空發動機轉靜子裝配葉尖間隙的預測方法，其特征在于，所述航空發動機包括轉子系統、支承框架、機匣與靜子組件，所述葉尖間隙指轉子葉尖與機匣內流道面的徑向間隙、以及靜子葉尖與轉子輪轂的徑向間隙，所述預測方法包括以下步驟：

步驟1、建立轉子葉尖計算模型：

所述步驟1中，以一級轉子或前軸頸軸向基準面的形心為原點建立空間坐標系；零件檢測得一級轉子后端面輪廓坐標點，利用坐標點建立空間平面方程，依次計算前后支承之間各級轉子后端面平面方程；由平面方程計算各級轉子后端面單位法向量，即完成端面跳動偏差的幾何建模；零件檢測得轉子前、后端面外側輻板面輪廓坐標點，建立截平面內的圓方程，由最小二乘法估計方程參數，得形心坐標，即完成徑向偏心偏差幾何建模；由前后端面的形心坐標計算單級轉子內部形心方向向量；計算各葉片的葉尖高度和初始相位角，從而計算各葉尖點的實際坐標，即完成轉子葉尖計算模型；

所述步驟1的具體計算過程如下：

以轉子基準面為裝配全局基準建立坐標系，原點為轉子基準面形心點，軸向堆疊方向為x正方向，截平面為yOz平面，豎直方向為z軸方向；

根據檢測儀器獲取的第i級轉子后端面輪廓數據點建立平面方程，由最小二乘法擬合平面方程參數，得方程表達式：

A_pla,ix+B_pla,iy+C_pla,iz+D_pla,i＝0 (8)，

式中，A_pla,B_pla,C_pla,D_pla均為標定平面參數系數，由式(8)的平面法向量，做歸一化處理后得第i級轉子后端面的單位法向量：

由轉臺檢測儀器獲取單級轉子前端面外側輻板在軸向x處的截平面外圈輪廓，根據最小二乘法擬合得前端面外側圓方程為：

A_cir,f,iy²+B_cir,f,iz²+C_cir,f,iy+D_cir,f,iz+E_cir,f,i＝0 (10)，

上式中，A_cir,f,i,B_cir,f,i,C_cir,f,i,D_cir,f,i,E_cir,f,i均為最小二乘法標定的第i級轉子前端面的圓特征參數，由截平面圓方程近似估計第i級轉子前端面形心位置矢量為：

式中，為前i-1級轉子軸向尺寸累積坐標，由式(10)和式(11)同理可得后端面近似形心位置矢量(x_cir,l,y_cir,l,z_cir,l)，分量n_x,i由下式給出，第i級轉子形心軸的單位方向向量為：

式中，為第i級轉子內部形心軸矢的模長；

設第i級轉子葉尖軸向定位尺寸為l_i，徑向高度設計尺寸為R_i，設第i級轉子葉片總數為N_i，則相鄰葉片的周向夾角為

在yOz平面內以z軸正向為相位角初始邊，沿轉角正向分別對周向葉片從1開始遞增編號為j,0＜j≤N_i，其中1號葉片的相位角為φ_i,1，j號葉片的相位角為φ_i,j＝φ_i,1+(j-1)φ_i,Δ；

設第i級轉子葉尖所在截平面內形心到葉尖零相位點的單位方向向量為其滿足空間相互垂直條件：

則第i級轉子j號葉片葉尖對應單位方向向量由截面軸心到零相位點方向向量繞形心軸旋轉得到滿足公式：

第i級轉子j號葉片葉尖相對于設計高度R_i徑向跳動為δ_j；因此，對應葉片的實際高度為R_i,j，所以第i級轉子j號葉片葉尖絕對坐標為：

步驟2、建立支承結構計算模型：

所述步驟2中，以與轉子配合的前軸承內環左端面形心為原點建立坐標系，前后軸承內環相鄰端面形心連線為轉子回轉軸線；計算轉子回轉軸線的單位矢量，即完成轉子回轉軸建模；代入仿真的彈性支座變形坐標分量和軸承游隙值，計算軸承游隙偏差下的機匣基準面形心偏移矢量，即完成支承框架的建模；

步驟3、建立機匣內流道面計算模型：

所述步驟3中，以機匣左端面形心為原點建立坐標系，測內流道與轉子葉尖配合處的輪廓點，記錄軸向位置和輪廓點坐標為模型輸入；建立輪廓橢圓方程，以輪廓坐標用最小二乘法標定參數，提取橢圓方程中心，長、短半軸和長軸相位；計算插值形心，并在橢圓方程中代入不同相位流道面輪廓跳動值，建立內流道面輪廓方程，即完成機匣計算模型；

所述機匣計算模型的具體建立過程如下：

建立單段機匣的內流道面橢圓方程，以機匣基準端面形心為坐標原點，軸向為x方向，其正向與轉子堆疊方向相同，截平面為yOz平面設定坐標系，豎直向上為z軸方向，則與第i級轉子配合的內流道面橢圓方程為，

y²+A_cas,iyz+B_cas,iz²+C_cas,iy+D_cas,iz+E_cas,i＝0 (17)，

式中，A_cas,i,B_cas,i,C_cas,i,D_cas,i,E_cas,i為最小二乘法標定的橢圓方程參數，以最小二乘法擬合橢圓后，得流道截面形心坐標(x_cas,i,y_cas,i,z_cas,i)，橢圓方程長半軸的非負最小相位角為θ_cas,i，滿足以下條件：

機匣裝配結構檢測水平放置時，在轉子基準的全局坐標系中，相對機匣下沉量為結合支承變形造成的機匣位置偏差，可得機匣前端基準面形心坐標為(x_cas,ben,y_cas,ben,z_cas,ben)；

根據機匣內流道面的設計形狀，機匣內流道面截面輪廓半徑沿軸向變化方程為R_ca＝R(x)；再計算形心曲線；

機匣為整體式薄壁環形機匣時，其形心曲線計算方式為：

對于整體式薄壁環形機匣，第i段機匣前、后端面的內流道橢圓輪廓方程由式(17)給出，由最小二乘法評估待定參數后，根據式(18)計算出前端面內橢圓中心坐標和長軸偏角y_cas,f,i,z_cas,f,i,θ_cas,f,i和后端面截平面內橢圓中心坐標和長軸偏角y_cas,l,i,z_cas,l,i,θ_cas,l,i，則第i段機匣前端面內流道輪廓方程，其機匣內部任意形心點坐標為：

多段機匣堆疊后，與式(11)同理，計算第i段機匣前端面形心坐標為：

式中，為第i段機匣后端面單位法向量，由式(8)和式(9)計算得出，E_cas,f,i為第i段機匣前端面橢圓截面參數，由最小二乘法標定；

那么第i段機匣內部任意一點形心坐標由單段機匣前后端面形心坐標(x_cas,f,i,y_cas,f,i,z_cas,f,i)和(x_cas,l,i,y_cas,l,i,z_cas,l,i)代入式(12)，計算可得(x_cas,c,y_cas,c,z_cas,c)；

測量與第i級轉子葉尖配合流道截面的半徑值的總采集點數為N_i,cas，采集點之間的夾角測量數據可得流道面待測點相對于設計尺寸的跳動δ_i,j,cas，每個數據可用軸向位置x_i,cas和相位角φ_i,j,cas＝j·Δφ_i,cas唯一表示；則機匣軸向任意位置和相位角所對應的內流道面坐標為：

式中，[·]為取整函數，即不超過·值的最大整數；

步驟4、在絕對坐標系下，利用齊次坐標變換矩陣將所述步驟1至3得到的三個計算模型，整合為轉靜子葉尖間隙計算模型，并對不同轉子相位角下的葉尖間隙進行預測：

所述步驟4的具體計算過程如下：

在絕對坐標系下，轉子未發生相位偏轉時，與第i級轉子j號葉片葉尖配合的流道截面滿足關系式為：

將式(1)所滿足條件回代入式(23)，計算與之配合的流道點坐標；則第i級轉子，j號葉片的葉尖繞回轉軸轉角為0°未旋轉狀態時的裝配葉尖間隙cle_i,j表達為：

當轉子回轉軸偏轉相位角θ_rot時，設第i級轉子j號葉片的初始葉尖位置矢量旋轉后的葉尖位置矢量和葉片方向向量分別滿足下式：

那么當前相位角θ_rot條件下，與第i級轉子j號葉片配合的流道面對應點滿足關系式：

將式(4)條件式回代入式(23)計算與第i級轉子j號葉片配合的流道面對應點坐標，則葉尖間隙表達為：

則第m級轉子的最大間隙cle_m,max、最小間隙cle_m,min分別為：

設第i級轉子按一定轉角回轉一周測量次數為N_rot,i，則單次旋轉的相位角為其中，k為轉角編號，則第m級轉子的平均間隙cle_m,mean為：