一體式液體火箭發動機高速渦輪泵轉子動特性試驗裝置的制作方法

本實用新型一體式液體火箭發動機高速渦輪泵轉子動特性試驗裝置，涉及液體火箭發動機高速渦輪泵轉子動特性研究領域，是一種用于液體火箭發動機高速渦輪泵轉子動特性試驗的一體式裝置，主要是對超臨界的柔性渦輪泵轉子。

背景技術：

渦輪泵轉子系統是液體火箭發動機渦輪泵的主要構件，隨著航天工業迅速發展，發動機的性能不斷提高，渦輪泵轉子的工作轉速不斷提高，通常為超過一階、甚至二階臨界轉速的柔性轉子。柔性轉子在高速運轉狀態下的動力學特性明顯，對不平衡量等因素引起的振動非常敏感，對其高速狀態下的振動影響因素及故障特性的研究，一直是液體火箭發動機轉子動力學設計的關鍵之處，而能夠抑制轉子在高速狀態下的振動量級，是確保液體火箭發動機穩定運行的重要環節。

現有的渦輪泵轉子試驗裝置均為分體式試驗裝置，即分別在轉子的兩個支點處各設計一個支撐裝置，這種設計無法保證轉子具有較高的同心度及與驅動電機的對中度，不但干擾了試驗數據的采集精度，甚至造成電機驅動軸斷裂。同時由于分體式結構，試驗裝置的剛性較弱，難以穩定升至較高轉速，并易與試驗轉子發生共振，具有極大危險性。

技術實現要素：

本實用新型解決的技術問題為：克服現有技術不足，提供一體式液體火箭發動機高速渦輪泵轉子動特性試驗裝置，為了進行液體火箭發動機高速渦輪泵轉子的動特性試驗，滿足將試驗轉子與試驗臺進行高精度對接裝配的要求，設計了一種一體式結構的試驗裝置，即將轉子的兩端支點通過一個整體工裝進行連接支撐，試驗裝置結構剛性強，對中精度高，主要適用于跨距較小、轉速較高的渦輪泵轉子系統，同時具備軸承潤滑、采集測點布置等多種功能，確保了高速渦輪泵轉子系統的動特性試驗的準確性與穩定性。

本實用新型解決的技術方案為：一體式液體火箭發動機高速渦輪泵轉子動特性試驗裝置，包括：裝置上瓦塊(1)、裝置下瓦塊(2)、潤滑油回油腔(3)、軸承中間潤滑油路(4)、潤滑油進油孔(5)、裝置外部軸向定位面(6)、裝置外部徑向定位面(7)、潤滑油回油孔(8)、軸承兩測潤滑噴油管(9)、轉子支撐軸向定位面(10)、轉子支撐徑向定位面(11)、傳感器測點(12)、定位銷孔(13)、軸承中間噴油管(14)；

裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)均為空心半圓柱體的一半，裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)能夠組成一個空心半圓柱體，裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)組成的一個空心半圓柱體的兩個圓柱面靠近空心位置作為轉子支撐軸向定位面(10)，空心半圓柱體靠近兩個圓柱面的內表面作為轉子支撐徑向定位面(11)，轉子支撐軸向定位面(10)和轉子支撐徑向定位面(11)均為環形面，為轉子提供支撐；裝置上瓦塊(1)、裝置下瓦塊(2)的外弧形表面上靠近兩個圓柱面各有一個凸起的圓環，且兩個凸起的圓環與空心半圓柱體同軸；兩個凸起的圓環上的裝置外部徑向定位面(7)設置定位銷孔(13)，能夠插入定位銷使試驗裝置固定；

凸起的圓環的正面為裝置外部徑向定位面(7)，側面為裝置外部軸向定位面(6)；

在空心半圓柱體的兩個圓柱面各設置兩個以上傳感器測點(12)，且在空心半圓柱體的外弧形面的兩個凸起的圓環之間設置兩個以上傳感器測點(12)，

兩個凸起的圓環上的裝置外部徑向定位面(7)各設置一組潤滑油進油孔(5)，每組為2個潤滑油進油孔(5)，在空心半圓柱體的外弧形面的兩個凸起的圓環之間靠近凸起的圓環處設置潤滑油回油孔(8)，在靠近空心半圓柱體的一個圓柱面的轉子支撐徑向定位面(11)上設置軸承兩測潤滑噴油管(9)，在空心半圓柱體的另一個圓柱面上設置軸承中間噴油管(14)，潤滑油回油腔(3)設置在裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)內；且潤滑油回油腔(3)在裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)內連通；

在裝置上瓦塊(1)內設置有軸承中間潤滑油路(4)，軸承中間潤滑油路(4)的一端連接一組潤滑油進油孔(5)，軸承中間潤滑油路(4)的另一端連接軸承中間噴油管(14)的一端，軸承中間噴油管(14)的另一端連接潤滑油回油腔(3)；

另一組潤滑油進油孔(5)和軸承兩測潤滑噴油管(9)的一端連通，軸承兩測潤滑噴油管(9)的另一端與潤滑油回油腔(3)連通，潤滑油回油腔(3)上設置有潤滑油回油孔(8)；

在所述空心半圓柱體的外弧形面的兩個凸起的圓環之間設置的兩個以上傳感器測點(12)中至少有傳感器測點(12)與空心半圓柱體的軸心的連線垂直。

所述裝置外部徑向定位面(7)所在平面與裝置外部軸向定位面(6)所在平面正交，且裝置外部軸向定位面(6)與兩個圓柱面平行；

所述軸承兩測潤滑噴油管(9)的另一端正對試驗件的軸承。

軸承中間噴油管(14)的另一端正對試驗件的彈性支撐件的油孔；

本實用新型與現有技術相比的優點在于：

(1)本實用新型的試驗裝置已經多次成功應用于高速渦輪泵轉子的動特性試驗中，試驗結果良好，裝配可靠性高。

(2)本實用新型將轉子的兩端支點通過一個整體工裝進行連接支撐，裝置的裝配結構簡單，支撐剛度和自身結構剛度較高，能夠真實模擬渦輪泵轉子的實際支撐工況，實現了一體式設計。

(3)本實用新型的一體式結構能夠確保裝置的內孔及外孔定位面基準一致，提高轉子與試驗臺對接的同心度。同時一體式結構最大程度的簡化了轉子與試驗臺的轉接件數量，避免了多層配合導致的裝配精度誤差，實現了定位精度高。

(4)本實用新型內設潤滑油路，避免了外接軸承潤滑油管，簡化了裝配流程，解決了軸承潤滑的難題。同時內部油路使軸承潤滑效果更好。

(5)本實用新型精準布置多個測點，裝置上最多可同時布置6個位移測點，避免了采用磁力吸座固定傳感器造成的支撐不穩、測試位置不準確等問題，提高了測試的安全性和精確性。

(6)本實用新型結構避免干擾頻率，由于本試驗裝置用于高速工況(n>60000r/min)，設計時使裝置結構的固有頻率避開轉子的工頻與固有頻率，使其具有足夠的剛度和穩定性，避免由于轉子振動造成共振，產生干擾頻率。

(7)本實用新型設計的高速渦輪泵轉子的動特性試驗裝置的一體式結構剛性強，定位效果良好，數據測點布置準確，在高速狀態下裝置穩定性強，目前已經投入使用并完成了多次渦輪泵轉子的高速動平衡與動特性試驗。

附圖說明

圖1為實用新型的一體式液體火箭發動機渦輪泵轉子高速動特性試驗裝置三維結構圖；

圖2為實用新型的一體式液體火箭發動機渦輪泵轉子高速動特性試驗裝置結構主視圖；

圖3為實用新型的一體式液體火箭發動機渦輪泵轉子高速動特性試驗裝置結構左視圖；

圖4為實用新型的一體式液體火箭發動機渦輪泵轉子高速動特性試驗裝置結構俯視圖；

圖5為實用新型的一體式液體火箭發動機渦輪泵轉子高速動特性試驗裝置試驗數據曲線圖。

具體實施方式

本實用新型的基本思路為：一體式液體火箭發動機高速渦輪泵轉子動特性試驗裝置，由上下瓦塊兩部分構成，瓦塊兩端為轉子支撐定位面，為轉子提供兩點支撐，并通過瓦塊自身一體式結構將兩個支撐位固結一體，提高了支撐的定位精度和剛度。瓦塊外部通過兩側定位面與試驗支撐裝置對接，并通過上瓦塊頂部定位銷定位，能夠有效的保證試驗轉子與試驗裝置的對中度。下瓦塊側面開有4個進油孔，潤滑油可以通過內設的油路對軸承進行潤滑，油路的設計確保了軸承潤滑的高效準確。瓦塊內部為中空的回油腔，下瓦塊底部開有2個回油孔，保證了潤滑油的循環使用。在上瓦塊的中部和兩側共設6個位移傳感器測點，同時內部可以增設軸承溫度和支撐鼠籠應變等傳感器測點，保證了對試驗數據的全面有效監測。

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步詳細描述。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，一體式液體火箭發動機高速渦輪泵轉子動特性試驗裝置，其特征在于：包括裝置上瓦塊(1)、裝置下瓦塊(2)、潤滑油回油腔(3)、軸承中間潤滑油路(4)、潤滑油進油孔(5)、裝置外部軸向定位面(6)、裝置外部徑向定位面(7)、潤滑油回油孔(8)、軸承兩測潤滑噴油管(9)、轉子支撐軸向定位面(10)、轉子支撐徑向定位面(11)、傳感器測點(12)、定位銷孔(13)、軸承中間噴油管(14)；

裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)均為空心半圓柱體的一半，裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)能夠組成一個空心半圓柱體，裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)組成的一個空心半圓柱體的兩個圓柱面靠近空心位置作為轉子支撐軸向定位面(10)，空心半圓柱體靠近兩個圓柱面的內表面作為轉子支撐徑向定位面(11)，轉子支撐軸向定位面(10)和轉子支撐徑向定位面(11)均為環形面，為轉子提供支撐，本實用新型將轉子的兩端支點通過一個整體工裝進行連接支撐，裝置的裝配結構簡單，結構采用硬度在30HRC以上的不銹鋼加工，支撐剛度和自身結構剛度較高，能夠真實模擬渦輪泵轉子的實際支撐工況，實現了一體式設計。；裝置上瓦塊(1)、裝置下瓦塊(2)的外弧形表面上靠近兩個圓柱面各有一個凸起的圓環，且兩個凸起的圓環與空心半圓柱體同軸；兩個凸起的圓環上的裝置外部徑向定位面(7)設置定位銷孔(13)，能夠插入定位銷使試驗裝置固定；

凸起的圓環的正面為裝置外部徑向定位面(7)，側面為裝置外部軸向定位面(6)；本實用新型的裝置為一體式結構能夠確保裝置的內孔及外孔定位面基準一致，并優選將各個定位面同心度限定在0.05mm以內，提高轉子與試驗臺對接的同心度。同時一體式結構最大程度的簡化了轉子與試驗臺的轉接件數量，避免了多層配合導致的裝配精度誤差，實現了高精度定位。

在空心半圓柱體的兩個圓柱面各設置兩個以上傳感器測點(12)，且在空心半圓柱體的外弧形面的兩個凸起的圓環之間設置兩個以上傳感器測點(12)，測點位置布置精準，避免了采用磁力吸座固定傳感器造成的支撐不穩、測試位置不準確等問題，提高了測試的安全性和精確性。優選在所述空心半圓柱體的外弧形面的兩個凸起的圓環之間設置的兩個以上傳感器測點(12)中至少有兩個傳感器測點(12)與空心半圓柱體的軸心的連線垂直，這樣能夠準確測試出試驗轉子的軸心軌跡。

兩個凸起的圓環上的裝置外部徑向定位面(7)各設置一組潤滑油進油孔(5)，每組為2個潤滑油進油孔(5)，在空心半圓柱體的外弧形面的兩個凸起的圓環之間靠近凸起的圓環處設置潤滑油回油孔(8)，在靠近空心半圓柱體的一個圓柱面的轉子支撐徑向定位面(11)上設置軸承兩測潤滑噴油管(9)，在空心半圓柱體的另一個圓柱面上設置軸承中間噴油管(14)，潤滑油回油腔(3)設置在裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)內；且潤滑油回油腔(3)在裝置上瓦塊(1)和裝置下瓦塊(2)內連通；優選潤滑油回油腔(3)壁厚為15mm，在保證了結構強度的同時，又具有足夠大的潤滑油回油腔(3)內徑，內徑為190mm，確保了潤滑油的回收循環暢通。

在裝置上瓦塊(1)內設置有軸承中間潤滑油路(4)，軸承中間潤滑油路(4)的一端連接一組潤滑油進油孔(5)，軸承中間潤滑油路(4)的另一端連接軸承中間噴油管(14)的一端，軸承中間噴油管(14)的另一端連接潤滑油回油腔(3)；本實用新型通過內設潤滑油路，避免了外接軸承潤滑油管，簡化了裝配流程，解決了軸承潤滑的難題。同時內部油路使軸承潤滑效果更好。

另一組潤滑油進油孔(5)和軸承兩測潤滑噴油管(9)的一端連通，軸承兩測潤滑噴油管(9)的另一端與潤滑油回油腔(3)連通，潤滑油回油腔(3)上設置有潤滑油回油孔(8)；確保了軸承潤滑效果，同時避免潤滑油流量過大造成浪費，優選將進油孔的潤滑油流量設置為8-10L/min，對應的噴油管的內徑設置為3mm，保證了良好的潤滑效果。

本實用新型結構避免干擾頻率，由于本試驗裝置用于高速工況(n>60000r/min)，設計時使裝置結構的固有頻率避開轉子的工頻與固有頻率，使其具有足夠的剛度和穩定性，避免由于轉子振動造成共振，產生干擾頻率。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本實用新型的一體式液體火箭發動機渦輪泵轉子高速動特性試驗裝置是用于測試試驗件的裝置，所述的試驗件包括:旋轉軸、彈性支撐件、軸承；

彈性支撐件安裝在旋轉軸上，彈性支撐件設置有通孔，通孔一端連接軸承中間噴油管(14)的另一端，通孔另一端正對軸承；彈性支撐件:包括法蘭、彈性支座；

法蘭通過彈性支座與軸承連接，彈性支座能夠減小法蘭與軸承之間的支撐剛度；軸承套裝在旋轉軸上，旋轉軸能夠在軸承內轉動；

需要一臺電機，由電機輸出軸與試驗件的旋轉軸相連，使電機輸出軸能夠帶動試驗件的旋轉軸轉動，一體式液體火箭發動機渦輪泵轉子高速動特性試驗測試方法為：

(1)將軸承套裝在旋轉軸上，將彈性支撐件安裝在試驗件的軸承上；

(2)將試驗件放置在裝置上瓦塊(1)內，使軸承中間噴油管(14)的另一端插入試驗件的彈性支撐件上的油孔中；試驗件的彈性支座與轉子支撐徑向定位面(11)貼合；法蘭與轉子支撐軸向定位面(10)固定連接

(3)將裝置下瓦塊(2)與裝置上瓦塊(1)扣合并緊固；

(4)調節軸承兩測潤滑噴油管(9)位置，使軸承兩測潤滑噴油管(9)的另一端正對軸承內滾珠；

(5)將一體式液體火箭發動機渦輪泵轉子高速動特性試驗裝置安裝在試驗擺架上，并通過定位銷孔限位；

(6)將電機輸出軸與試驗件的旋轉軸相連，使電機輸出軸能夠帶動試驗件的旋轉軸轉動；

(7)在傳感器測點安裝電渦流傳感器，調整電渦流傳感器的位置，使電渦流傳感器的測量電壓在10～12V之間；

(8)啟動電機，將電機輸出軸的轉速設定在500r/min轉動5分鐘，然后將電機輸出軸的轉速提高至最高轉速60000r/min；

(9)電渦流傳感器采集試驗件的振動數據。

利用本實用新型的一體式液體火箭發動機渦輪泵轉子高速動特性試驗裝置對試驗件進行測試，所得試驗數據如圖5所示。圖5中橫坐標為試驗轉速，縱坐標上部為振動位移峰峰值，下部為振動相位，圖5中三個曲線分別轉速從0升至接近60000r/min時三個不同位置測點所測得的振動位移峰峰值。從圖5中曲線可以明顯看出轉子的臨界轉速為30000r/min，在臨界轉速時振動位移峰峰值不超過90μm，表明試驗件在高速狀態下不平衡量較小，達到優秀的振動量級。同時可以看出試驗曲線光滑平穩，表明試驗件裝配精度及對中精度較高，并且軸承潤滑有效無異常。驗證了所設計的裝置結構固有頻率能夠有效避開試驗件的工頻與固有頻率，具有足夠的剛度和穩定性，避免由于轉子振動造成共振，產生干擾頻率。