航空发动机球铰熔断机构的关键尺寸设计与实验

周旋; 侯理臻; 黄巍; 廖明夫; 赵璐

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20220224

航空发动机球铰熔断机构的关键尺寸设计与实验

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220224

周旋^1,,
侯理臻^{1, 2,},
黄巍³,
廖明夫¹,
赵璐¹

1.
西北工业大学动力与能源学院，西安 710129
2.
中国航天科技集团有限公司西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室，西安 710100
3.
中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 200241

基金项目: 国家科技重大专项（2017-Ⅳ-0001-0038）

详细信息

作者简介:
周旋（1984-），女，博士生，主要研究领域为转子动力学

中图分类号: V231.96
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2022-04-19
- 网络出版日期: 2023-06-20

Key dimension design and experiment of spherical hinge fusing structure on aero-engine

ZHOU Xuan^1
,,
HOU Lizhen^{1, 2
,},
HUANG Wei³,
LIAO Mingfu¹,
ZHAO Lu¹

1.
School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China
2.
National Key Laboratory of Science and Technology on Liquid Rocket Engines， Xi’an Aerospace Propulsion Institute， China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi’an 710100，China
3.
Commercial Aircraft Engine Company Limited，Aero Engine Corporation of China，Shanghai 200241，China

摘要

摘要:
针对球铰熔断结构分析了其工作机理，提取了关键尺寸，设计了模拟球铰熔断机构，并完成了实验验证。研究发现：球铰熔断装置的关键参数包括熔断销钉减薄面、销钉材料以及销钉位置。其主要作用应侧重于在大不平衡量下，通过内轴承座的内外环相对滑移减小2号轴承的偏角，保护2号轴承。球铰结构熔断后，会进一步弱化刚度，降低转子的临界转速，这会使得发动机减速至风车转速时通过的临界转速降低，进一步减小过临界时的不平衡载荷。
- 球铰熔断机构 /
- 实验验证 /
- 突加不平衡 /
- 临界转速 /
- 熔断销钉
Abstract:
The working mechanism of spherical hinge fusing structure was analyzed, the key dimensions were extracted, a simulation spherical hinge fusing mechanism was designed, and experimental verification was completed. It was found that the key parameters of the spherical hinge fusing device include fusing pin thin surface, pin material, and pin position. Its main roles should focus on reducing the angle of the second bearing through the relative slip of inner and outer rings of the inner bearing seat under the large unbalance, and protecting the second bearing. After the spherical hinge structure was fused, the stiffness was further weakened and the critical speed of the rotor was reduced, which reduced the critical speed of the engine when it decelerated to the windmill speed, and further reduce the unbalanced load in the case of beyond the critical rotating speed.
- spherical hinge fusing structure /
- experimental verification /
- sudden unbalance /
- critical speed /
- fuse pin

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图 1 典型球铰熔断机构

Figure 1. Typical mechanism of spherical hinge fusing structure

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图 2 转子实验器结构简图

Figure 2. Structure of rotor test rig

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图 3 实验器球铰熔断机构

Figure 3. Spherical hinge fusing structure test rig

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图 4 熔断销钉结构简图

Figure 4. Structure of fusing pin

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图 5 实验器有限元模型

Figure 5. Finite element modal of the test rig

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图 6 熔断销钉的应力计算结果（锥壁熔断前）

Figure 6. Stress calculating result of fusing pin （before cone wall fusing）

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图 7 熔断销钉的应力计算结果（锥壁熔断后）

Figure 7. Stress calculating result of fusing pin （after cone wall fusing）

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图 8 球铰熔断机构实物图

Figure 8. Photo of spheroidal hinge fusing structure

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图 9 转子实验器实物图

Figure 9. Photo of rotor test rig

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图 10 安全防护装置实物图

Figure 10. Photo of safety device

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图 11 1号支点鼠笼弹支结构图

Figure 11. Structure of squirrel cage elastic support at support 1

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图 12 测试结果

Figure 12. Experimental results

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图 13 时间-转速图

Figure 13. Curve of time-rotating speed

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图 14 1号支点鼠笼弹支实测应变时域信号

Figure 14. Actual stress time-domain signal of squirrel cage elastic support at support 1

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图 15 熔断实验的增减速曲线

Figure 15. Acceleration and deceleration curves of fusing experiment

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图 16 熔断实验前后转子的增速曲线

Figure 16. Acceleration curves of the rotor before and after fusing experiment

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图 17 熔断实验后球铰销钉状态

Figure 17. State of fusing pins after fusing experiment

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表 1 实验器各部件材料

Table 1. Materials of units on the test rig

部件名称	材料
支座	20
承力幅板	40CrNiMoA
锥壁	40CrNiMoA
轴承座	40CrNiMoA
转轴	40CrNiMoA
鼠笼弹支	65Mn
盘	40Cr
熔断销钉	T10
内轴承座内环	GCr15
内轴承座外环	GCr15

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表 2 锥壁熔断前后熔断销钉的参数对比

Table 2. Comparison of fusing pin parameters before and after cone wall fusing

锥壁状态	熔断前	熔断后
熔断销钉的最大应力/MPa	3412.7	4488.7
最大剪切力/N	24127.8	31735.1
减薄面最大横截面/mm²	15.72	20.67
减薄面最大直径/mm	4.47	5.13

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表 3 1号支点鼠笼弹支应变信息

Table 3. Stress information of squirrel cage elastic support at support 1

通道序号	通道信息
CH1	内弹支段上、下方向的电压信号
CH2	内弹支段左、右方向的电压信号
CH3	外弹支段上、下方向的电压信号
CH4	外弹支段左、右方向的电压信号

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表 4 临界转速测试结果

Table 4. Experimental results of critical speeds

阶次	转速/（r/min）
阶次	卡盘夹紧状态（锥壁熔断前）	卡盘松开状态（锥壁熔断后）
1	2035	1663
2	2422	1946

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