CN116518028A - 一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，用于降低转子振动响应。吸振耗能装置由金属橡胶组件和固定座组件构成，金属橡胶组件安装于固定座组件内。金属橡胶组件包括有金属橡胶元件、质量块、螺栓和螺母，金属橡胶元件由记忆合金金属丝制成。固定座组件包括有支承外环、端盖、支承内环、限位环。本发明兼具吸振器与阻尼器的优点，具备高效且稳定的减振性能，可用于多种工况下转子系统的减振设计。作为吸振器，金属橡胶元件提供刚度，质量块为参振质量，通过调整金属橡胶元件的刚度，实现对转子振动能量的高效吸收；作为阻尼器，金属橡胶元件内部螺旋丝在振动时发生相对运动，产生摩擦耗能，实现对转子振动能量的高效耗散。

Description

一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置

技术领域

本发明属于旋转机械振动控制领域，具体涉及一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置。

背景技术

旋转机械被广泛地应用于航空发动机、燃气轮机、工业压缩机及各种电动机等机械装置中，由转子、轴承和支承结构组成的转子系统是旋转机械的核心部件之一，其振动过大不仅容易引发转子系统故障，同时也往往成为承力框架等其他结构振动的重要激励源。因此，转子系统的振动问题不仅关系到转子系统自身的性能和安全，也关系到航空发动机或其他旋转机械整机的动力响应水平和工作性能。

自上世纪60年代问世起，挤压油膜阻尼器因其结构简单、重量轻等优点，被广泛应用于高速旋转机械中，通过挤压环形间隙内的油膜和润滑油环向流动时产生的粘性摩擦阻尼实现减振效果。但是当转子振动响应过大而超出其设计范围时，油膜力会呈现高度的非线性，从而引起一系列非线性振动问题，如双稳态响应、锁死、非协调进动甚至混沌等现象。

为解决挤压油膜阻尼器阻尼特性不稳定的问题，此后又提出了金属橡胶支承阻尼装置，通过金属丝间相对滑移时的干摩擦耗散振动能量，将金属橡胶应用于航空航天转子系统支承结构的研制已有长期的学术研究和工程基础，并在实际应用中表现出良好的阻尼性能和结构可靠性。但是该减振装置仍存在许多阻尼器的通病，仅对靠近临界转速处的振动响应才会有显著的阻尼效应，而对处于非临界状态的转子系统减振性能较弱，不能对转子全转速范围内各工况提供良好的阻尼效应。

目前常用的转子系统支承结构减振装置多为阻尼减振，如挤压油膜阻尼器、金属橡胶等，主要用于降低转子通过临界转速时的振动响应，存在以下局限性：(1)当转子振动加剧时，对转子系统产生附加非线性支承刚度，产生振动恶化问题；(2)对于非临界状态的工况，不能充分发挥阻尼效应，减振性能较弱。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，不仅结构简单、减振性能稳定，还具备多工况减振的能力，可以高效地实现转子振动能量的吸收与耗散，最终降低发动机转子在多种工况运转下的振动响应。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，用于降低转子在多种工况下的振动响应，所述吸振耗能装置安装于转子与承力机匣之间，由金属橡胶组件和固定座组件构成，其中，金属橡胶组件位于固定座组件内。所述吸振耗能装置兼具吸振器与阻尼器的优点，可以高效地实现转子振动能量的吸收与耗散。

所述金属橡胶组件包括上金属橡胶元件、下金属橡胶元件、左质量块、右质量块、螺栓和螺母。左质量块与右质量块结构相同，呈对称设置，且在中心位置处设有通孔，上金属橡胶元件与下金属橡胶元件位于左质量块与右质量块之间。螺栓依次穿过左质量块与右质量块，然后用螺母拧紧，构成金属橡胶组件。

所述固定座组件包括支承外环、端盖、支承内环和限位环。所述支承内环设置有外凸缘、外壁面和环形槽。其中，所述支承内环的环形槽用于安装限位环。所述支承外环设置有内凸缘、内壁面和法兰边。所述金属橡胶组件的外侧通过所述支承外环的内凸缘实现轴向定位，通过所述端盖实现轴向压紧，通过所述支承外环的内壁面实现周向定位。所述金属橡胶组件的内侧通过所述支承内环的外凸缘实现轴向定位，通过所述限位环实现轴向压紧，通过所述支承内环的外壁面实现周向定位。所述支承内环与鼠笼弹支采用过盈配合，实现所述吸振耗能装置的径向固定；鼠笼弹支通过螺栓与发动机承力机匣中的右锥壳连接；所述吸振耗能结构通过依次穿过端盖、支承外环的法兰边的螺栓，与发动机承力机匣中的左锥壳连接。

进一步地，左质量块和右质量块的质量，以及上金属橡胶元件和下金属橡胶元件的刚度，共同决定了所述吸振耗能装置的固有频率，质量和刚度根据航空发动机转子系统的实际振动环境进行设计。

进一步地，所述上金属橡胶元件和所述下金属橡胶元件选用形状记忆合金金属丝，其刚度受温度调控，在不同温度下，金属橡胶元件体现出不同的刚度特性。

进一步地，多个相同的金属橡胶组件沿周向均匀分布在固定座组件内，且所述金属橡胶组件的数量至少为8个，以保证所述吸振耗能装置在多个振动方向均具有较好的吸振和耗能性能。

进一步地，作为吸振器，通过改变温度，实现对上金属橡胶元件和下金属橡胶元件刚度的调控，进而改变金属橡胶组件的固有频率，从而实现所述吸振耗能装置对转子振动能量的高效吸收。

进一步地，对于转子不平衡量引起的简谐激励，改变金属橡胶组件的固有频率，使其接近转子的转速频率，以实现高效吸振。

进一步地，对于外界施加的冲击激励或白噪声激励，改变金属橡胶组件的固有频率，使其接近外界激励作用下转子的振动主频，以实现高效吸振。

进一步地，作为阻尼器，当转子振动时，鼠笼弹支处产生变形，上金属橡胶元件和下金属橡胶元件内部的金属螺旋丝之间发生相对滑移，将振动的机械能通过干摩擦转化为内能耗散，达到阻尼减振效果。

本发明设计的用于转子系统支承结构的吸振耗能装置具有以下优点：

(1)本发明采用金属橡胶元件作为阻尼材料，在较大变形范围内具有稳定的线性刚度，具备稳定的减振性能。

(2)本发明提出的吸振耗能装置的刚度远低于鼠笼弹支，其产生的附加刚度较小，对转子系统的动力特性影响较小。

(3)本发明提出的吸振耗能装置兼具吸振器与阻尼器的优点，可以高效地实现转子振动能量的吸收与耗散。

(4)本发明中的金属橡胶元件由形状记忆合金金属丝制成，其刚度受温度调控。通过改变温度，调整金属橡胶元件的刚度，进而改变金属橡胶组件的固有频率，以适应多种工况下的减振需求。

附图说明

图1为转子-承力框架与用于转子系统支承结构的吸振耗能装置的组合结构示意图。

图2为鼠笼弹支与用于转子系统支承结构的吸振耗能装置的组合结构示意图。

图3为用于转子系统支承结构的吸振耗能装置的结构示意图。

图4为用于转子系统支承结构的吸振耗能装置的截面图。

图5为用于转子系统支承结构的吸振耗能装置中金属橡胶组件的爆炸图。

图6为用于转子系统支承结构的吸振耗能装置中固定座组件的爆炸图。

图7为用于转子系统支承结构的吸振耗能装置中支承外环和支承内环的截面图。

图8用于转子系统支承结构的吸振耗能装置与常用支承阻尼装置在不平衡激励作用下的振动响应示意图。

图9为用于转子系统支承结构的吸振耗能装置与常用支承阻尼装置在冲击激励作用下的振动响应示意图。

图中：1.上金属橡胶元件，2.下金属橡胶元件，3.左质量块，4.右质量块，5.螺栓，6.螺母，7.支承外环，8.端盖，9.限位环，10.支承内环，11.鼠笼弹支，12.轴承，13.转子，14.左锥壳，15.右锥壳；

7A.内凸缘，7B.内壁面，7C.法兰边，10A.外凸缘，10B.外壁面，10C.环形槽，11A.轴承定位边。

具体实施方式

为使本发明的技术方案与要点更加明确，下面将结合图1-图9和具体实例对发明进行完整的描述。

如图1-图7所示，本发明实施例涉及一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，用于降低转子在多种工况下的振动响应，所述吸振耗能装置兼具吸振器与阻尼器的优点，可以高效地实现转子振动能量的吸收与耗散。

如图1和图2所示，本发明的用于转子系统支承结构的吸振耗能装置安装于转子13与承力机匣之间。如图3和图4所示，所述吸振耗能装置由金属橡胶组件和固定座组件构成，其中，金属橡胶组件位于固定座组件内。

所述金属橡胶组件如图5所示，包括上金属橡胶元件1、下金属橡胶元件2、左质量块3、右质量块4、螺栓5和螺母6。左质量块3与右质量块4结构相同，呈对称设置，且在中心位置处设有通孔，上金属橡胶元件1与下金属橡胶元件2位于左质量块3与右质量块4之间。螺栓5依次穿过左质量块3与右质量块4，然后用螺母6拧紧，构成金属橡胶组件。

所述固定座组件如图6和图7所示，包括支承外环7、端盖8、支承内环10和限位环9。所述支承内环10设置有外凸缘10A、外壁面10B和环形槽10C。其中，所述支承内环10的环形槽10C用于安装限位环9。所述支承外环7设置有内凸缘7A、内壁面7B和法兰边7C。所述金属橡胶组件的外侧通过所述支承外环7的内凸缘7A实现轴向定位，通过所述端盖8实现轴向压紧，通过所述支承外环7的内壁面7B实现周向定位。所述金属橡胶组件的内侧通过所述支承内环10的外凸缘10A实现轴向定位，通过所述限位环9实现轴向压紧，通过所述支承内环10的外壁面10B实现周向定位。所述支承内环10与鼠笼弹支11采用过盈配合，实现所述吸振耗能装置的径向固定；鼠笼弹支11通过螺栓与发动机承力机匣中的右锥壳15连接；所述吸振耗能结构通过依次穿过端盖8、支承外环7的法兰边7C的螺栓，与发动机承力机匣中的左锥壳14连接。所述鼠笼弹支11设置有轴承定位边11A，用于轴承12的轴向定位。

所述左质量块3和右质量块4的质量，以及上金属橡胶元件1和下金属橡胶元件2的刚度，共同决定了所述吸振耗能装置的固有频率，质量和刚度根据航空发动机转子系统的实际振动环境进行设计。所述上金属橡胶元件1和下金属橡胶元件2选用形状记忆合金金属丝，其刚度受温度调控，在不同温度下，金属橡胶元件体现出不同的刚度特性。

如图3所示，多个所述金属橡胶组件沿周向均匀分布在固定座组件内，且所述金属橡胶组件的数量至少为8个，以保证所述吸振耗能装置在多个振动方向均具有较好的吸振和耗能性能。

所述吸振耗能装置兼具吸振器与阻尼器的优点。作为吸振器，通过改变温度，实现对上金属橡胶元件1和下金属橡胶元件2刚度的调控，进而改变金属橡胶组件的固有频率，从而实现所述吸振耗能装置对转子振动能量的高效吸收。对于转子13不平衡量引起的简谐激励，改变金属橡胶组件的固有频率，使其接近转子13的转速频率，以实现高效吸振。对于外界施加的冲击激励或白噪声激励，改变金属橡胶组件的固有频率，使其接近外界激励作用下转子13的振动主频，以实现高效吸振。作为阻尼器，当转子13振动时，鼠笼弹支11处产生变形，上金属橡胶元件1和下金属橡胶元件2内部的金属螺旋丝之间发生相对滑移，将振动的机械能通过干摩擦转化为内能耗散，达到阻尼减振效果。

图8为转子系统受不平衡激励作用时的振动响应曲线。图中，黑色实线为安装一般支承阻尼装置的转子系统振动响应，黑色虚线为安装所述吸振耗能装置的转子系统振动响应，支承阻尼装置和所述吸振耗能装置的阻尼系数相同。可见，与一般支承阻尼装置相比，所述吸振耗能装置对转子系统在共振峰值处的减振效果更为明显，可实现转子受不平衡激励作用时振动能量的高效吸收与耗散。

图9为转子系统受横向加速度冲击激励作用时的振动响应曲线。图中，黑色实线为安装一般支承阻尼装置的转子系统振动响应，黑色虚线为安装所述吸振耗能装置的转子系统振动响应，支承阻尼装置和所述吸振耗能装置的阻尼系数相同。安装一般支承阻尼装置的转子系统在自由振动阶段响应均方根值降幅为30％，安装所述吸振耗能装置的转子系统在自由振动阶段响应均方根值降幅为88％。可见，与一般支承阻尼装置相比，所述吸振耗能装置对转子系统在宽频振动的减振效果更为明显，可实现转子受冲击激励或白噪声激励作用时振动能量的高效吸收与耗散。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，其特征在于：安装于鼠笼弹支和承力框架之间，同时作为吸振器与阻尼器，用于实现转子振动能量的高效吸收与耗散；

所述吸振耗能装置由金属橡胶组件和固定座组件构成，金属橡胶组件位于固定座组件内；

所述金属橡胶组件包括上金属橡胶元件、下金属橡胶元件、左质量块、右质量块、螺栓和螺母；左质量块与右质量块结构相同，呈对称设置，且在中心位置处设有通孔，上金属橡胶元件与下金属橡胶元件位于左质量块与右质量块之间；螺栓依次穿过左质量块与右质量块，然后用螺母拧紧，构成金属橡胶组件；

所述固定座组件包括支承外环、端盖、支承内环和限位环；所述支承内环设置有外凸缘、外壁面和环形槽；所述支承内环的环形槽用于安装限位环；所述支承外环设置有内凸缘、内壁面和法兰边；

所述金属橡胶组件的外侧通过所述支承外环的内凸缘实现轴向定位，通过所述端盖实现轴向压紧，通过所述支承外环的内壁面实现周向定位；所述金属橡胶组件的内侧通过所述支承内环的外凸缘实现轴向定位，通过所述限位环实现轴向压紧，通过所述支承内环的外壁面实现周向定位；

所述支承内环与鼠笼弹支采用过盈配合，实现所述吸振耗能装置的径向固定；鼠笼弹支通过螺栓与发动机承力机匣中的右锥壳连接；所述吸振耗能结构通过依次穿过端盖、支承外环的法兰边的螺栓，与发动机承力机匣中的左锥壳连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，其特征在于：左质量块和右质量块的质量，以及上金属橡胶元件和下金属橡胶元件的刚度，共同决定了所述吸振耗能装置的固有频率，质量和刚度根据航空发动机转子系统的实际振动环境进行设计。

3.根据权利要求1所述的一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，其特征在于：所述上金属橡胶元件和所述下金属橡胶元件选用形状记忆合金金属丝，其刚度受温度调控，在不同温度下，金属橡胶元件体现出不同的刚度特性。

4.根据权利要求1所述的一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，其特征在于：多个相同的金属橡胶组件沿周向均匀分布在固定座组件内，且所述金属橡胶组件的数量至少为8个，以保证所述吸振耗能装置在多个振动方向均具有较好的吸振和耗能性能。

5.根据权利要求1所述的一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，其特征在于：作为吸振器，通过改变温度，实现对上金属橡胶元件和下金属橡胶元件刚度的调控，进而改变金属橡胶组件的固有频率，从而实现所述吸振耗能装置对转子振动能量的高效吸收。

6.根据权利要求1所述的一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，其特征在于：对于转子不平衡量引起的简谐激励，改变金属橡胶组件的固有频率，使其接近转子的转速频率，以实现高效吸振。

7.根据权利要求1所述的一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，其特征在于：对于外界施加的冲击激励或白噪声激励，改变金属橡胶组件的固有频率，使其接近外界激励作用下转子的振动主频，以实现高效吸振。

8.根据权利要求1所述的一种用于转子系统支承结构的吸振耗能装置，其特征在于：作为阻尼器，当转子振动时，鼠笼弹支处产生变形，上金属橡胶元件和下金属橡胶元件内部的金属螺旋丝之间发生相对滑移，将振动的机械能通过干摩擦转化为内能耗散，达到阻尼减振效果。