一种TPS单元的制造方法

技术领域

本发明涉及TPS单元的制造方法技术领域，具体为一种TPS单元的制造方法。

背景技术

TPS是一种新型动力装置模拟单元，其功率密度可达电机的8～10倍，适用于对配套涡扇发动机的飞机进行精准的动力模拟和流场模拟，是飞机的研制进程中必备的试验设备，由于所针对的飞行尺寸以及飞行需求的不同，需要不同型号以及风力的TPS单元，但是现有技术中缺少一套针对TPS单元从研发到生产的制造方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种TPS单元的制造方法，

包括以下步骤：

S1：根据TPS单元的基本型和结构指标计算出缩小比例模型，形成初始气动流道，输入气动指标形成转子系统气动设计，

转子系统气动设计包括：

风扇和涡轮气动型面，

气动载荷、轴向力和功率，

风扇和涡轮三维模型；

S2：结合气动载荷、轴向力和功率对主轴轴径进行估算，进行转子系统支承设计，结合风扇和涡轮三维模型以及转子系统支承设计进行临界转速核算，满足要求后确定转子方案，并给出振动校核报告；

S3：结合风扇和涡轮气动型面；气动载荷、轴向力和功率；风扇和涡轮三维模型对转子强度进行校核，满足要求后确定风扇和涡轮方案；

S4：根据轴承种类以及运行需求估算轴承发热量以及滑油量初步估算，根据轴承发热量以及滑油量初步估算进行润滑系统构型设计，进一步进行润滑系统和小气路设计，满足要求后确定润滑及封严方案，并给出润滑系统设计报告；

S5：根据确定后的转子方案、风扇和涡轮方案和润滑及封严方案汇总成形成性能构件设计。

S6：针对性能构件设计的结构进行结构件设计形成完整的TPS单元，将完成设计的TPS单元投入生产制造。

进一步的，在步骤S2中完成主轴轴径估算后进行轴承选型计算，完成轴承的选型后根据选定的轴承种类送入步骤S4中进行轴承的发热了以及润滑油的初步估算。

进一步的，在步骤S2中转子方案确定后对选定的轴承进行制造。

进一步的，完成结构件设计后针对机匣、挂架和直属零件强度进行校核，完成校核后驱动结构设计与校核报告，通过校核报告、风扇和涡轮数据计算得到气动设计报告。

进一步的，结构件设计包括电气组件选型、标准件选型、涡壳设计、管路系统设计、机匣设计、轴承座设计和调整环节设计。

进一步的，所述标准件选型包括紧固件选型计算、O型圈选型计算和弹簧选型计算。

进一步的，制作接口协调图。

进一步的，所述接口协调图包括电气接口协调图和结构接口协调图。

进一步的，结合性能构件设计和结构件设计进行产品模型及图纸编制。

进一步的，对模型以及图纸的尺寸链进行计算，对产品模型及图纸中的公差进行调整。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本方案中首先根据TPS单元基本型和结构指标计算出缩小比例模型，然后针对TPS单元中性能结构(风扇和涡轮方案、转子方案、润滑及严封方案)的测试和确认，然后针对性能构件设计的结构进行结构件设计形成完整的TPS单元投入生产。

附图说明

图1为TPS单元的制造方法的流程图。

具体实施方式

结合附图1所示，一种TPS单元的制造方法，包括以下步骤：

S1：根据TPS单元的基本型和结构指标计算出缩小比例模型，形成初始气动流道，输入气动指标形成转子系统气动设计，

转子系统气动设计包括：

风扇和涡轮气动型面，

气动载荷、轴向力和功率，

风扇和涡轮三维模型；

S2：结合气动载荷、轴向力和功率对主轴轴径进行估算，进行转子系统支承设计，结合风扇和涡轮三维模型以及转子系统支承设计进行临界转速核算，满足要求后确定转子方案，并给出振动校核报告；

S3：结合风扇和涡轮气动型面；气动载荷、轴向力和功率；风扇和涡轮三维模型对转子强度进行校核，满足要求后确定风扇和涡轮方案；

S4：根据轴承种类以及运行需求估算轴承发热量以及滑油量初步估算，根据轴承发热量以及滑油量初步估算进行润滑系统构型设计，进一步进行润滑系统和小气路设计，满足要求后确定润滑及封严方案，并给出润滑系统设计报告；

S5：根据确定后的转子方案、风扇和涡轮方案和润滑及封严方案汇总成形成性能构件设计。

S6：针对性能构件设计的结构进行结构件设计形成完整的TPS单元，将完成设计的TPS单元投入生产制造。

优选的，在步骤S2中完成主轴轴径估算后进行轴承选型计算，完成轴承的选型后根据选定的轴承种类送入步骤S4中进行轴承的发热了以及润滑油的初步估算。

优选的，在步骤S2中转子方案确定后对选定的轴承进行制造。

优选的，完成结构件设计后针对机匣、挂架和直属零件强度进行校核，完成校核后驱动结构设计与校核报告，通过校核报告、风扇和涡轮数据计算得到气动设计报告。

优选的，结构件设计包括电气组件选型、标准件选型、涡壳设计、管路系统设计、机匣设计、轴承座设计和调整环节设计。

优选的，所述标准件选型包括紧固件选型计算、O型圈选型计算和弹簧选型计算。

优选的，制作接口协调图。

优选的，所述接口协调图包括电气接口协调图和结构接口协调图。

优选的，结合性能构件设计和结构件设计进行产品模型及图纸编制。

优选的，对模型以及图纸的尺寸链进行计算，对产品模型及图纸中的公差进行调整。

风扇的研制要求：

对风扇叶片进行结构强度计算，要求考虑叶片的离心力，气动力与疲劳性能，给出涡轮叶片的安全系数及使用寿命，要求安全系数≥1.5；

风扇叶片的达成情况：

本项目采用有限元分析方法，分别对不锈钢风扇叶片和钛合金风扇叶片进行了强度校核。

分析时，离心载荷按照最大转速47000rpm计算，对风扇转子有限元模型施加沿Z轴的角速度值4920rad/s；气动力载荷和温度载荷由风扇气动计算获得，并施加于风扇有限元模型之上，其中最大压力位置为风扇叶片叶尖前缘处，压力值为245.77Kpa；最大温度位置为风扇叶片叶尖尾缘处，温度值为124.17℃。

(1)不锈钢风扇转子以最大转速47000rpm工作时，转子最大等效应力为789.9Mpa，位于叶根中部，材料屈服强度为1180Mpa。

(2)TC4钛合金风扇叶片，最大等效应力为450.7MPa，材料屈服强度为736Mpa，安全系数为1.63；TC11风扇叶片，最大等效应力为460.8MPa，屈服强度为920Mpa。

涡轮结构强度计算

涡轮的研制要求：

对涡轮叶片进行结构强度计算，要求考虑叶片的离心力，气动力与疲劳性能，给出涡轮叶片的安全系数及使用寿命，要求安全系数≥2

风扇转子加工工程中需要进行多次检测，检测合格后才能进行下一步工序，大致加工和检测工艺流程为：材料复检——叶盘粗加工——叶盘精加工——着色探伤检验——叶片加工——叶片频率测量——着色探伤检验——叶片抛光——叶片频率测量——叶片喷丸强化处理——叶片频率测量——转子动平衡处理。

涡轮的达成情况：

本项目采用有限元分析方法，分别对涡轮叶片进行了强度校核。

涡轮叶片离心载荷按照最大转速47000rpm计算，对涡轮叶片施加沿Z轴的角速度值4920rad/s；气动力载荷和温度载荷由风扇气动计算获得，最大压力位置为涡轮叶片叶尖前缘处，压力值为772.86KPa；最低温度位置为涡轮叶片叶尖前缘处，温度值为-85.2℃，最高温度位置为叶背叶根中部，温度值为-1.4℃。

在涡轮转子以最大转速47000rpm工作时，转子最大等效应力值为126.6MPa，材料屈服极限为370.3Mpa，

支撑系统结构强度计算

研制要求：

对支撑系统进行结构强度计算，施加推力、重力和加速度载荷，要求安全系数≥3

达成情况：

本项目采用有限元分析方法，对TPS支撑系统进行了强度校核。

分析时，利用整机模型施加推力、重力及各向加速度载荷(载荷如表1所示)，进行变形及应力状态分析。将支撑系统(挂架)视为子结构，对其进行精细建模，同时按实际装配状态施加界面接触，获得支撑结构在不同载荷下的变形、应力分布及接触状态。

TPS载荷条件

研究表明，

(1)TPS支撑系统的最大应力位于连接螺栓区域；

(2)在各向过载下，支撑结构的最大应力及安全裕度

支撑系统各向过载下安全系数

单元装配之前，对风扇外壳承压试验，试验压力为5MPa。测试程序：

A.记录风扇外壳在三个不同位置的外直径；

B.根据给出的图形，在外壳内安装虚拟涡轮分布器及外壳后盖，并固定吊架盖，如图1所示；

C.保持该压力5分钟；

D.未出现明显的变形为合格，即直径尺寸变化小于0.03mm

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。