1.本技术涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种航空发动机转子轴 向力设计要求确定方法。
背景技术：2.如图1所示为一种典型的双转子航空发动机剖面图，从左至右依次为 风扇11、中介机匣12、压气机13、主燃烧室14、高压涡轮15、低压涡轮 16和喷管17，低压转子由风扇转子和低压涡轮转子组成，作用于风扇转 子的向前的气动轴向力f
lf
和作用于低压涡轮转子向后的气动轴向力f
lt
的合力为f
l
，该合力大小为气动轴向力f
lf
与气动轴向力f
lt
的差值，通过 前止推轴承191、风扇外侧承力机匣，传递至主安装节181；高压转子由 压气机转子和高压涡轮转子组成，作用于压气机转子的向前的气动轴向 力f
hc
和作用于高压涡轮转子向后的气动轴向力f
ht
的合力为fh，该合力大 小为气动轴向力f
hc
与气动轴向力f
ht
的差值，通过后止推轴承192、中介 机匣12，传递至主安装节181。
3.由于止推轴承本身的结构特点，其可靠工作需要作用于止推轴承上 的轴向力保持在一定范围内，轴向力过小，轴承滚动体可能与内、外圈 滚道产生滑动接触而产生划痕，进而导致轴承寿命降低；轴向力过大， 轴承滚动体与内、外圈表面接触应力过大，在污染物等外界因素的诱导 下，容易产生金属表面剥落故障。因此，在航空发动机设计阶段，需要 控制转子轴向力各分量，即图1中所示的气动轴向力f
lf
、f
hc
、f
ht
、f
lt
， 以确保作用于止推轴承的转子轴向力(f
l
、fh)在合理范围内。
4.航空发动机通用规范规定应对发动机压力平衡系统提供的转子轴向 力进行合理设计、充分验证，以确保止推轴承在全寿命周期内安全、可 靠工作。然而，通用规范只给出了轴向力设计的基本原则、定性指导， 即不轻载、不换向，满足轴承使用寿命要求，但对于轴向力量化调控标 准或设计要求，尚未见到完整的确定流程。
技术实现要素：5.本技术的目的是提供了一种航空发动机转子轴向力设计要求确定方 法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
6.本技术的技术方案是：一种航空发动机转子轴向力设计要求确定方 法，所述方法包括：
7.1)根据发动机总体设计方案及已有型号数据，初步确定止推轴承的 承载范围，所述承载范围包括轴向载荷和径向载荷；
8.2)选取典型工况，初步评估典型工况下的转子轴向力；
9.3)确定转子轴向力设计要求，包括：
10.3.1)确定发动机全工作包线内的寿命点，根据所述寿命点评估转子 轴向力，得到全工作包线内转子轴向力的变化范围；
11.3.2)在相同发动机工作状态条件下，根据转子轴向力随高度、马赫 数的分布规
律，将工作包线内部区域划分为若干个分区；
12.3.3)根据发动机设计用法规定的寿命点-工作时间分配，叠加分区内 各寿命点的工作时间从而确定工作包线内各分区的累积工作时间；
13.3.4)根据发动机机动过载幅值在工作包线内的分布，确定各工作包 线分区的法向过载最大值，结合发动机转子质量、质心、转动惯量等结 构参数，确定轴承径向载荷的最大值，将各工作包线分区轴承径向载荷 的最大值作为轴向力设计要求下限初值；
14.3.5)在各工作包线分区内选取最大轴向力，并上浮预定值后，取预 定值的整数倍中大于且接近上浮后最大轴向力的数值，作为所述工作包 线分区轴向力设计要求上限初值；
15.3.6)按照各工作包线分区轴向力上限初值，通过聚类分析，编制止 推轴承寿命载荷谱，评估失效概率条件下的轴承寿命；
16.3.7)根据轴承寿命评估结果，调整轴向力较大或累积工作时间较长 的工作包线分区的轴向力上限，直到满足规定失效概率的轴承设计使用 寿命。
17.进一步的，所述发动机全工作包线内的强度点满足：
18.所述强度点由高度、马赫数、发动机工作状态3个参数组成，自发动 机设计使用寿命期内无累积工作时间要求的工作包线边界点，或者工作 包线内部某项发动机载荷最大值点中选取，从而使所述强度点能够涵盖 转子轴向力的极限最大值和极限最小值。
19.进一步的，所述发动机全工作包线内的寿命点满足：
20.所述寿命点由高度、马赫数、发动机工作状态3个参数组成，选自发 动机工作包线内部选取的典型寿命点，所述寿命点能够涵盖工作包线内 的各典型区域、发动机各类典型工作状态。
21.进一步的，将工作包线内部区域划分为若干个分区的过程包括：
22.按发动机工作状态，分别在工作包线内划定不同区间，确定轴向力 控制范围；
23.以预定的高度间隔和马赫数间隔作为初步间隔，对工作包线进行均 匀划分，确定初始分区；
24.分析各初始分区内的转子轴向力分布规律，确定各初始分区的转子 轴向力最大值；选取相邻初始分区转子轴向力最大值之差不超过聚类阈 值的情况，沿高度或马赫数方向聚类合并相邻初始分区，得到最终的工 作包线分区。
25.进一步的，聚类合并相邻初始分区的过程包括：
26.1)分别从高度、马赫数方向，按照从小到大的顺序排序初始分区；
27.2)当各初始分区中已有寿命点的最大值，不再另外增加寿命点；
28.3)合并后的各分区至少包含1个寿命点，如果某初始分区不包含寿 命点，则按马赫数方向聚类合并相邻初始分区；
29.其中，若所述初始分区靠近工作包线左边界，则所述马赫数方向指 的是马赫数增大方向；若所述初始分区位于工作包线内部，则所述马赫 数方向指的是马赫数增大方向；若所述初始分区靠近工作包线右边界， 则所述马赫数方向指的是马赫数减小方向；
30.4)如果对于从左边界至右边界的连续相邻初始分区均没有寿命点， 则在沿马赫数方向聚类合并初始分去之后，继续按高度方向聚类合并相 邻初始分区；
31.其中，若所述初始分区靠近工作包线下边界，则所述高度方向指的 是高度增大方
向；若所述初始分区位于工作包线内部，则所述高度方向 指的是高度增大方向；若所述初始分区靠近工作包线上边界，则所述高 度方向指的是高度减小方向。
32.进一步的，编制止推轴承寿命载荷谱的过程包括：
33.选取发动机寿命点，计算发动机各寿命点下的轴承工作的轴承当量 动载荷；
34.计算发动机各寿命点下的轴承寿命评估系数；
35.根据发动机工作状态分类对发动机各寿命点进行初步分类；
36.在每类发动机工作状态的各工作包线分区中选取发动机寿命点作为 备选轴承典型寿命点；
37.在个工作包线分区内进行聚类合并，确定备选轴承典型寿命点在轴 承寿命载荷谱中工作时间分配；
38.按照上述过程确定的发动机工作状态及工作包线分区，从各分类中 所有备选典型寿命点中提取载荷、转速以及时间分配占比，得到轴承寿 命载荷谱。
39.进一步的，选取发动机寿命点作为备选轴承典型寿命点的过程包括：
40.选取各工作包线分区中时间占比最高的寿命点作为一个备选轴承典 型寿命点，形成第一类点；
41.如果在工作包线分区中存在2个或以上的寿命点，选取寿命评估系数 最大的寿命点作为备选轴承典型寿命点，形成第二类点；
42.如果发动机工作状态的寿命点少于或等于3个，则这些寿命点都选取 为备选轴承典型寿命点，形成第三类点。
43.进一步的，聚类合并，确定备选轴承典型寿命点在轴承寿命载荷谱 中工作时间分配的过程包括：
44.对于轴承寿命评估系数不高于第一类点的所有寿命点时间占比求和 后得到时间占比t1，将其作为第一类点在轴承寿命载荷谱中的时间分配；
45.对于轴承寿命评估系数高于第一类点但不高于第二类点的所有寿命 点时间占比求和后得到时间占比t2，将其作为第二类点在轴承寿命载荷 谱中的时间分配；
46.对于轴承寿命评估系数高于第二类点的所有寿命点时间占比求和后 得到时间占比t3，将其作为第三类点在轴承寿命载荷谱中的时间分配。
47.进一步的，调整工作包线分区的轴向力上限过程为：
48.根据确定的轴向力设计要求上限初值计算轴承寿命，判断是否满足 轴承设计使用寿命要求；
49.若不满足，则按照发动机工作状态从高到低、轴向力设计要求上限 初值与各寿命点轴向力最大值差值从大到小顺序，依次调整所述各工作 包线分区轴向力设计要求上限，直至按照设计要求上限的计算结果为轴 承设计使用寿命要求1.0倍～1.5倍；
50.其中，不同工作包线分区的轴向力设计要求上限应满足：在相同发 动机工作状态下，高度范围相同、马赫数越大，轴向力越大；马赫数范 围相同，高度越大、轴向力越小。
51.进一步的，所述发动机工作状态从高到低指的是中间及以上状态、 巡航状态至慢车状态的顺序。
52.本技术所提供的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法可以在确 保真实服役使用环境下，最大限度的发挥止推轴承使用寿命潜力，为全 工作包线压力平衡系统轴向力
精确调控提供依据，确保止推轴承使用安 全。
附图说明
53.为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地 介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
54.图1为现有技术中典型的双转子航空发动机剖面图。
55.图2为本技术的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法流程图。
56.图3为本技术一实施例的典型寿命点分布示意图。
57.图4为本技术一实施例的初始分区位置示意图。
58.图5为本技术一实施例的某发动机工作状态下最终合并后分区示意 图。
59.图6为本技术一实施例的某发动机工作状态下工作包线分区内的工 作时间示意图。
60.图7为本技术一实施例的某发动机工作状态下各工作包线分区轴向 力设计要求上限示意图。
具体实施方式
61.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 申请实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描 述。
62.现有技术中航空发动机转子轴向力设计要求仅为下限、长期上限和 短期上限3个指标，而使用载荷环境多变，为了保证使用的安全性和可靠 性，这3个指标都各自保留了很大裕度。高裕度轴向力虽然可以保证使用 安全，但却为压力平衡系统调控带来困难。由于很难界定“长期”和“短期
”ꢀ
的具体量化标准，使得转子轴向力限定范围有一定的模糊性，对轴向力 设计合理性和轴承工作可靠性提升均有所制约。
63.例如，原有轴向力设计要求为：短时3kn、长时使用上限为30kn、短 时使用上限为40kn。然而，在工作包线区域，批量使用的发动机长期使 用的轴向力甚至超过50kn，仍然未检查出相关轴承使用可靠性问题。轴 向力设计要求定义的粗放性，为转子轴向力精准调控带来了困难。
64.为了提高转子轴向力设计要求的精确性，本技术中建立了更加弹性 的轴向力设计要求及确定方法，确保止推轴承使用安全、可靠的前提下， 降低压力平衡系统的设计难度。
65.如图2所示，本技术提供的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法 包括如下步骤：
66.步骤1、初步确定止推轴承的承载范围
67.根据发动机总体设计方案给定的轴承接口、外廓尺寸要求，结合相 似型号研制、使用经验和专项试验结果，确定止推轴承轻载、重载极限 工况，包括轴向载荷和径向载荷。
68.确定止推轴承的承载范围时，承载需要满足如下条件：
69.1)轻载限制：止推轴承所承受的最小轴向载荷应高于止推轴承的径 向载荷，即轴向力设计要求下限为轴承可能发生径向载荷的(≥1.0倍)， 在优选实施例中，应保证轴向力下限为径向载荷的(2.0～3.0倍)；
70.2)重载限制：按照gb/t 4662《滚动轴承额定静载荷》可以给出轴 承所能承受的极限载荷要求；同时按照gb/t 6391《滚动轴承额定动载 荷和额定寿命》可以计算轴承的使用寿命。在极限载荷和寿命要求都得 到满足时，可以确认重载范围。
71.步骤2、初步评估典型工况转子轴向力
72.选取典型工况，进行转子轴向力评估。典型工况包括：地面慢车状 态、地面台架中间状态(或发动机地面最高状态点)、最大气动负荷状 态，以及全工作包线、全工作转速范围内最小气动轴向力的寿命点，其 中，寿命点可以根据发动机典型截面气动参数评估得到，亦或是实测获 得。
73.根据步骤1确定的轴向载荷范围，以不轻载、不换向、不重载为前提， 进行压力平衡系统初步设计。
74.步骤3、确定转子轴向力设计要求
75.本技术的方法中以发动机全工作包线内强度点、寿命点详细轴向力 计算结果为基础，需要这些结果具有较高的计算精度，与测量结果吻合 较好，适用于航空发动机详细设计阶段。
76.步骤3.1：确定发动机寿命点，针对发动机寿命点进行转子轴向力评 估，给出全工作包线内轴向力可能的变化范围。
77.其中，发动机寿命点满足如下要求：
78.寿命点要能涵盖工作包线内的各典型区域、发动机各类典型工作状 态，与发动机使用用法相适应；并且，还要包括轴向力常用最大值点、 轴向力常用最小值点。
79.其中，寿命点由高度、马赫数、发动机工作状态3个参数组成，为发 动机工作包线内部选取的典型工作点，通常根据发动机研制输入相关文 件中规定的典型任务剖面确定，用于表达各类寿命要求。
80.发动机寿命点具有以下特点：
81.i)完备性，寿命点应当能够涵盖预测用法中所有经常使用的工作包 线区域；
82.ii)典型性，在发动机预测用法中较为频繁出现，或者相应工作包线 区域的时间或循环数占比较大；
83.iii)代表性，能够相对准确的表达相应包线区域内的工作载荷，通常 选取相应区域内载荷较重的工作点。
84.如3所示菱形黑块即为本技术该实施例中的典型寿命点分布。
85.步骤3.2：在相同发动机工作状态条件下，根据轴向力随高度、马赫 数的分布规律，将工作包线内部区域划分为若干个分区。
86.工作包线的分区过程为：
87.步骤
ⅰ
)：按发动机工作状态进行分类；针对每类工作状态(根据发 动机控制系统设计要求，每类发动机工作状态，对应特定的油门杆角度 范围区间)，分别在工作包线内划定不同区间，确定轴向力控制范围。
88.比如，一种发动机共有中间及以上状态、巡航状态、慢车状态共3类 工作状态，则按照这3类工作状态，分别确定工作包线分区方案。
89.步骤
ⅱ
)：以一定的高度间隔和马赫数间隔作为初步间隔，对工作包 线进行均匀划分，确定初始分区。初始分区中，可以不包含寿命点。
90.在本技术中，高度初始间隔可以为1千米～2千米、马赫数初始间隔 可以为0.5～1.0马赫数，如图4所示初始分区实施例中，即按照高度初始 间隔2千米、马赫数初始间隔0.5，对工作包线进行均匀划分，从而确定如 图4所示的36个初始分区，记为“初(1)”至“初(36)”。
91.步骤
ⅲ
)：分析各初始分区内轴向力分布规律，列出各初始分区的轴 向力最大值；按照相邻初始分区轴向力最大值之差不超过聚类阈值(例 如可以为5000n)的原则，选取相邻(沿高度或马赫数方向)的初始分区 进行聚类合并得到最终分区(即步骤3.2中所称的分区)，即：如果轴向 力最大值之差小于聚类阈值，则合并相邻初始分区；如果轴向力最大值 之差大于聚类阈值，则不合并相邻初始分区。
92.在分区聚类的处理过程如下：
93.1)分别从高度、马赫数方向，按照从小到大的顺序排序；
94.例如图4所示实施例中，按照“初(1)”、“初(2)”、“初(3)”、“初(4)”、“初(5)”、“初(6)”、
……
、“初(36)”的顺序，依次分析。
95.2)当各初始分区中已有寿命点的最大值，不需再单独增加寿命点；
96.例如图4所示实施例中，“初(8)”中只有“5千米、马赫数0.7”、“5千米、 马赫数0.9”两个寿命点，轴向力分别为8955牛、12146牛，则该初始分区 中，轴向力最大值选取为12146牛，不再另外取点、进行轴向力计算及寻 找轴向力更大值。
97.3)合并后的各分区，应当至少包含1个寿命点，如果某初始分区不 包含寿命点，则按“马赫数方向”并入其相邻初始分区。如果该区域位于工 作包线左边界附近，则“马赫数方向”指的是马赫数增大方向；如果该区域 位于工作包线内部，则“马赫数方向”指的是马赫数增大方向；如果该区域 位于工作包线右边界附近，则“马赫数方向”指的是马赫数减小方向；
98.例如图4中，“初(7)”中不包含寿命点，该初始分区位于工作包线左边 界，则按照马赫数增大的方向并入“初(8)”，而“初(9)”、“初(10)”中不包含 寿命点，该区位于工作包线右边界，则按照马赫数减小的方向，合并至“初 (8)”。
99.4)如果对于从左边界至右边界的连续相邻初始分区均没有寿命点， 则按“高度方向”与相邻初始分区聚类。如果该初始分区位于工作包线下边 界附近，则“高度方向”指的是高度增大方向；如果该初始分区位于工作包 线内部，则“高度方向”指的是高度增大方向；如果该初始分区位于工作包 线上边界附近，则“高度方向”指的是高度减小方向。
100.例如图4中，“初(3)”中不包含寿命点，该初始分区位于工作包线下边 界，则按照高度增大的方向聚类至“初(6)”，而“初(35)”、“初(36)”中不包 含寿命点，该初始分区位于工作包线上边界，则按照高度减小的方向， 分别聚类至“初(32)”、“初(33)”。
101.对于图4所示实施例中的36个初始分区聚类结果如表1及图5所示。
102.表1初始分区合并过程示例
103.[0104][0105]
步骤3.3：根据发动机设计用法规定的寿命点-工作时间分配，确定工 作包线内各分区的累积工作时间。
[0106]
各分区的累积工作时间确定过程为：
[0107]
按照步骤3.2确定的工作包线分区，叠加分区内各寿命点的工作时间 得到累计工作时间。
[0108]
例如根据发动机设计用法规定的寿命点-工作时间分配时，图6所示的 工作包线分区“终
③”
内，包括4个寿命点：
[0109]
1)寿命点1：高度为5千米、马赫数为0.7、中间状态，工作时间为20 小时；
[0110]
2)寿命点2：高度为5千米、马赫数为0.9、中间状态，工作时间为30 小时；
[0111]
3)寿命点3：高度为7千米、马赫数为0.4、最大状态，工作时间为60 小时；
[0112]
4)寿命点4：高度为7千米、马赫数为0.8、中间状态，工作时间为90 小时；
[0113]
通过将工作包线分区“终
③”
内的寿命点工作时间累计得到累计工作 时间，即20+30+60+90＝200小时。
[0114]
步骤3.4：根据发动机设计用法规定的机动过载幅值在工作包线内的 分布，确定各工作包线分区可能发生的法向过载最大值；结合发动机转 子质量、质心、转动惯量中任一个，确定轴承径向载荷可能发生的最大 值，将各分区轴承径向载荷可能发生的最大值，作为轴向力设计要求下 限初值。
[0115]
例如根据发动机设计用法，在图6所示的工作包线分区“终
③”
内，发 动机最大法向机动过载幅值为5g(g为重力加速度)，在单位法向机动过 载条件下(法向过载为1g)，发动机转子在止推轴承处受到的支反力约 为1000牛，则5g最大法向过载在止推轴承处所产生的支反力约为5000牛， 即工作包线分区“终
③”
内的轴向力设计要求下限即为5000牛。
[0116]
步骤3.5：在各工作包线分区内选取最大轴向力，并上浮一定值后， 取该一定值的整数倍中接近上浮后最大轴向力的数值作为该工作包线分 区轴向力设计要求上限初值。
[0117]
在本技术该实施例中，该一定值取5000n。图6所示的工作包线分区
ꢀ“
终
③”
内，最大轴向力值出现在寿命点2，最大轴向力为12146牛，以12146 牛为基数，上浮5000牛以后，轴向力为12146+5000＝17146n，取5000牛的 三倍，即15000牛作为该工作包线分区内的轴向力设计要求上限初值。
[0118]
各工作包线分区的轴向力设计要求上限初值的确定结果如图7所示。
[0119]
步骤3.6：按照各工作包线分区轴向力上限初值，进一步开展聚类分 析，编制止推轴承寿命载荷谱，评估失效概率条件下的轴承寿命。
[0120]
选取典型寿命点，进行轴承寿命评估的过程如下：
[0121]
1)计算轴承当量动载荷
[0122]
对发动机各寿命点下主轴承工作的当量动载荷进行计算，计算公式 如下：p＝x
·
fr+y
·
fa
ꢀꢀꢀ
(1)
[0123]
式中：p为轴承当量动载荷，单位为牛顿；
[0124]
x、y为无量纲系数，根据gb/t6391-2010《滚动轴承轴承动载荷和 额定寿命》中的取值方法确定；
[0125]
fr为主轴承所在支点的支点载荷计算结果，即步骤3.4中确定的轴向 力设计要求下限初值，单位为牛顿；
[0126]
fa为角接触球轴承作为主轴承时所在转子的轴向力计算结果，即步 骤3.5、图7所示的轴向力设计要求上限初值，单位为牛顿。
[0127]
例如，对于α＝10
°
的角接触球轴承，如果按照gb/t6391-2010所确定 的x＝0.46、y＝1.88，对于图7中“终
③”
区，fr＝5000牛、fa＝15000牛， 那么，该分区内的当量动载荷为：
[0128]
p＝0.46
·
5000+1.88
·
15000＝30500牛。
[0129]
2)计算轴承寿命评估系数
[0130]
对发动机各寿命点下主轴承的寿命评估系数进行计算，计算公式如 下：q＝n
·
p
·nꢀꢀꢀ
(2)
[0131]
式中：q为轴承寿命评估系数；
[0132]
n为轴承工作转速，单位为(转/分钟)，来源于设计文件；
[0133]
p为上述步骤中得到的轴承当量动载荷，单位为牛顿；
[0134]
n为取值西数，对于对角接触球轴承的取值可以为3。
[0135]
例如，图7中“终
③”
区内，寿命点1的转速为20000转/分钟、寿命点2 的转速为21000转/分钟、寿命点3的转速为23000转/分钟、寿命点4的转速 为22000转/分钟，按照轴承寿命评估系数q＝n
·
30500
·
3计算，可得到：
[0136]
寿命点1的寿命评估系数q＝1.83e+09、寿命点2的寿命评估系数 q＝1.92e+09、寿命点3的寿命评估系数q＝2.10e+09、寿命点4的寿命评估 系数q＝2.01e+09。
[0137]
3)寿命点初步分类
[0138]
按照步骤3.2中步骤
ⅰ
)给出的发动机主要工作状态分类方法，对各寿 命点进行初步分类，比如中间及以上状态、巡航状态、慢车状态等。
[0139]
4)选取轴承典型寿命点
[0140]
对于对步骤3.2中最终确定的分区，在每类发动机工作状态的各工作 包线分区中选取1个发动机寿命点作为备选的轴承典型寿命点，选取过程 如下：
[0141]
i)选取各分区中时间占比最高的寿命点作为一个备选轴承典型寿命 点。例如，在图6所示实施例的“终
③”
内选取“寿命点4”(高度为7千米、 马赫数为0.8、中间状态)作为备选轴承典型寿命点(计为a1类点)；
[0142]
ii)如果在分区中存在2个或以上的寿命点，通过选取寿命评估系数 q值最大的寿命点作为备选轴承典型寿命点(计为a2类点)。例如，在 图7所示实施例的“终
③”
内，根据轴承寿命评估系数的计算结果，选取寿 命点3作为备选轴承典型寿命点。
[0143]
如果某类发动机工作状态的寿命点少于或等于3个，则这些寿命点都 选取为备选轴承典型寿命点(计为a3类点)。
[0144]
5)确定轴承典型寿命点时间占比
[0145]
聚类合并，确定备选轴承典型寿命点在轴承寿命载荷谱中工作时间 分配，过程如下：
[0146]
i)对q值不高于a1类点的所有寿命点时间占比求和后得到时间占比 t1，将其作为a1类点在轴承寿命载荷谱中的时间分配。
[0147]
例如，总时间为10000小时设计使用寿命，在图6实施例中，q值不高 于寿命点4的a1类点包括寿命点1、寿命点2和寿命点4，工作时间分别为 20小时、30小时、90小时，那么，时间占比t1＝(20/10000)+(30/10000) +(90/10000))＝1.4％；
[0148]
ii)对q值高于a1类点但不高于a2类点的所有寿命点时间占比求和后 得到时间占比t2，将其作为a2类点在轴承寿命载荷谱中的时间分配。
[0149]
例如，在图6实施例中，满足这种情况的寿命点为寿命点3，那么， 时间占比t2＝(60/10000)＝0.60％；
[0150]
iii)对q值高于a2类点的所有寿命点时间占比求和后得到时间占比 t3，将其作为a3类点在轴承寿命载荷谱中的时间分配。
[0151]
上述过程如表2所示。
[0152]
表2分区“终
③”
聚类过程示例
[0153][0154]
6)确定轴承典型寿命点时间占比
[0155]
按照步骤3.2确定的发动机工作状态、步骤3.3确定的工作包线分区， 汇总各分类中所有备选典型工况点，提取其载荷(步骤3.4轴向力设计要 求下限、步骤3.5轴向力设计要求上限)、转速(来源于设计文件)以及 上述步骤中得到时间分配占比，可以得到轴承寿命载荷谱。
[0156]
步骤3.7：根据轴承寿命评估结果，调整轴向力较大或累积工作时间 较长的工作包线分区的轴向力上限，直到满足规定失效概率的轴承设计 使用寿命。
[0157]
1)轴向力设计要求上限调整：
[0158]
根据步骤3.5中确定的轴向力设计要求上限初值，判断该轴向力设计 要求上限初值是否满足轴承设计使用寿命要求，若不满足，则按照发动 机工作状态从高到低、轴向力设计要求上限初值与各寿命点轴向力最大 值差值从大到小顺序，依次调整上述各包线分区轴向力设计要求上限， 直至按照设计要求上限的计算结果为轴承设计使用寿命要求1.0倍～1.5 倍。其中，发动机工作状态从高到低指的是中间及以上状态、巡航状态 至慢车状态的顺序。
[0159]
例如，在该实施例中计算得到的轴承寿命初始值为9800小时，设计 要求为10000小时，不满足设计要求，则在每一种发动机工作状态对应的 包线分区内，按照轴向力设计要求上限初值与各分区轴向力最大值的差 值从大到小顺序，依次对轴向力设计要求上限初值进行下调5000牛，如 表3所示，直至按照设计要求上限的计算结果为轴承设计使用寿命要求 10000小时的1.0倍～1.5倍为止。
[0160]
例如，计算得到的轴承轴向力设计要求上限初值为16000消失，其大 于轴承设计使用寿命要求的1.5最大倍数，则按照轴向力设计要求上限初 值与各分区轴向力最大值差值从小到大顺序，依次对轴向力设计要求上 限初值进行上浮5000牛，如表3所示，直至按照设计要求上限的计算结果 为轴承设计使用寿命要求10000小时的1.0倍～1.5倍为止。
[0161]
表3某发动机工作状态轴向力范围调整方法及过程示例
[0162]
[0163][0164]
2)轴向力上限在工作包线内满足分布规律：
[0165]
不同包线分区的轴向力设计要求上限的分布规律满足：在相同发动 机工作状态下，高度范围相同，马赫数越大，轴向力越大；马赫数范围 相同，高度越大，轴向力越小。
[0166]
例如图7所示实施例中，“终
②”
分区的马赫数大于“终
①”
分区且高度 范围相同，两分区的轴向力设计要求上限分别为30000牛和25000牛，满 足上述分布规律；“终
③”
分区的高度大于“终
①”
分区、“终
②”
分区，，且
ꢀ“
终
③”
分区与“终
②”
分区马赫数范围相同，“终
③”
、“终
①”
、“终
②”
分区 的轴向力设计要求上限分别为15000牛、25000牛、30000牛，也满足上述 分布规律。
[0167]
最后，可根据上述过程确定的发电机转子轴向力设计要求进行压力 平衡系统设计和试验。在发动机研制的不同阶段，随压力平衡系统各项 约束条件的变化，进行轴向力设计和试验测量，验证对于转子轴向力设 计要求的符合性；如果存在部分区域超出设计要求规定范围的情况，通 过改进设计、分析或试验，进一步验证其符合性。
[0168]
本技术所提供的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法可以在确 保真实服役使用环境下，最大限度的发挥止推轴承使用寿命潜力，为全 工作包线压力平衡系统轴向力精确调控提供依据，确保止推轴承使用安 全。
[0169]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此， 本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
技术特征：1.一种航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，其特征在于，所述方法包括：1)根据发动机总体设计方案及已有型号数据，初步确定止推轴承的承载范围，所述承载范围包括轴向载荷和径向载荷；2)选取典型工况，初步评估典型工况下的转子轴向力；3)确定转子轴向力设计要求，包括：3.1)确定发动机全工作包线内的寿命点，根据所述寿命点评估转子轴向力，得到全工作包线内转子轴向力的变化范围；3.2)在相同发动机工作状态条件下，根据转子轴向力随高度、马赫数的分布规律，将工作包线内部区域划分为若干个分区；3.3)根据发动机设计用法规定的寿命点-工作时间分配，叠加分区内各寿命点的工作时间，从而确定工作包线内各分区的累积工作时间；3.4)根据发动机机动过载幅值在工作包线内的分布，确定各工作包线分区的法向过载最大值，结合发动机转子结构参数，确定轴承径向载荷的最大值，将各工作包线分区轴承径向载荷的最大值作为轴向力设计要求下限初值；3.5)在各工作包线分区内选取最大轴向力，并上浮预定值，在预定值的整数倍中，选取大于且最接近最大轴向力的数值，作为所述工作包线分区轴向力设计要求上限初值；3.6)按照各工作包线分区轴向力上限初值，通过聚类分析，编制止推轴承寿命载荷谱，评估失效概率条件下的轴承寿命；3.7)根据轴承寿命评估结果，调整轴向力较大或累积工作时间较长的工作包线分区的轴向力上限，直到满足规定失效概率的轴承设计使用寿命。2.如权利要求1所述的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，其特征在于，所述发动机全工作包线内的寿命点满足：所述寿命点由高度、马赫数、发动机工作状态3个参数组成，选自发动机工作包线内部选取的典型寿命点，所述寿命点能够涵盖工作包线内的各典型区域、发动机各类典型工作状态。3.如权利要求1所述的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，其特征在于，将工作包线内部区域划分为若干个分区的过程包括：按发动机工作状态，分别在工作包线内划定不同区间，确定轴向力控制范围；以预定的高度间隔和马赫数间隔作为初步间隔，对工作包线进行均匀划分，确定初始分区；分析各初始分区内的转子轴向力分布规律，确定各初始分区的转子轴向力最大值；选取相邻初始分区转子轴向力最大值之差不超过聚类阈值的情况，沿高度或马赫数方向聚类合并相邻初始分区，得到最终的工作包线分区。4.如权利要求3所述的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，其特征在于，聚类合并相邻初始分区的过程包括：1)分别从高度、马赫数方向，按照从小到大的顺序排序初始分区；2)当各初始分区中已有寿命点的最大值，不再另外增加寿命点；3)合并后的各分区至少包含1个寿命点，如果某初始分区不包含寿命点，则按马赫数方向聚类合并相邻初始分区；
其中，若所述初始分区靠近工作包线左边界，则所述马赫数方向指的是马赫数增大方向；若所述初始分区位于工作包线内部，则所述马赫数方向指的是马赫数增大方向；若所述初始分区靠近工作包线右边界，则所述马赫数方向指的是马赫数减小方向；4)如果对于从左边界至右边界的连续相邻初始分区均没有寿命点，则在沿马赫数方向聚类合并这些初始分区以后，继续按高度方向聚类合并相邻初始分区；其中，若所述初始分区靠近工作包线下边界，则所述高度方向指的是高度增大方向；若所述初始分区位于工作包线内部，则所述高度方向指的是高度增大方向；若所述初始分区靠近工作包线上边界，则所述高度方向指的是高度减小方向。5.如权利要求1所述的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，其特征在于，编制止推轴承寿命载荷谱的过程包括：选取发动机寿命点，计算发动机各寿命点下的轴承工作的轴承当量动载荷；计算发动机各寿命点下的轴承寿命评估系数；根据发动机工作状态分类，对发动机各寿命点进行初步分类；在每类发动机工作状态的各工作包线分区中，选取发动机寿命点作为备选轴承典型寿命点；在各包线分区内进行聚类合并，确定备选轴承典型寿命点在轴承寿命载荷谱中工作时间分配；按照上述过程确定的发动机工作状态及工作包线分区，从各分类中所有备选典型寿命点中提取载荷、转速以及时间分配占比，得到轴承寿命载荷谱。6.如权利要求5所述的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，其特征在于，选取发动机寿命点作为备选轴承典型寿命点的过程包括：选取各工作包线分区中时间占比最高的寿命点作为一个备选轴承典型寿命点，形成第一类点；如果在工作包线分区中存在2个或以上的寿命点，选取寿命评估系数最大的寿命点作为备选轴承典型寿命点，形成第二类点；如果发动机工作状态的寿命点少于或等于3个，则这些寿命点都选取为备选轴承典型寿命点，形成第三类点。7.如权利要求6所述的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，其特征在于，聚类合并，确定备选轴承典型寿命点在轴承寿命载荷谱中工作时间分配的过程包括：对于轴承寿命评估系数不高于第一类点的所有寿命点时间占比求和后得到时间占比t1，将其作为第一类点在轴承寿命载荷谱中的时间分配；对于轴承寿命评估系数高于第一类点但不高于第二类点的所有寿命点时间占比求和后得到时间占比t2，将其作为第二类点在轴承寿命载荷谱中的时间分配；对于轴承寿命评估系数高于第二类点的所有寿命点时间占比求和后得到时间占比t3，将其作为第三类点在轴承寿命载荷谱中的时间分配。8.如权利要求1所述的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，其特征在于，调整工作包线分区的轴向力上限过程为：根据确定的轴向力设计要求上限初值，计算轴承寿命，判断是否满足其设计使用寿命要求；
若不满足，则按照发动机工作状态从高到低、轴向力设计要求上限初值与各寿命点轴向力最大值差值从大到小顺序，依次调整所述各工作包线分区轴向力设计要求上限，直至按照设计要求上限的计算结果为轴承设计使用寿命要求1.0倍～1.5倍；其中，不同工作包线分区的轴向力设计要求上限满足：在相同发动机工作状态下，高度范围相同、马赫数越大，轴向力越大；马赫数范围相同，高度越大、轴向力越小。9.如权利要求8所述的航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，其特征在于，所述发动机工作状态从高到低指的是中间及以上状态、巡航状态至慢车状态的顺序。
技术总结本申请提供了一种航空发动机转子轴向力设计要求确定方法，包括如下步骤：初步确定止推轴承的承载范围；初步评估典型工况下的转子轴向力；确定发动机全工作包线内的寿命点及评估转子轴向力；将工作包线内部区域划分为若干个分区；叠加分区内各寿命点的工作时间从而确定工作包线内各分区的累积工作时间；确定工作包线分区轴承径向载荷的最大值，将其为轴向力设计要求下限初值；初步确定各工作包线分区最大轴向力，将其作为工作包线分区轴向力设计要求上限初值；编制止推轴承寿命载荷谱，评估失效概率条件下的轴承寿命；根据轴承寿命评估结果，调整工作包线分区的轴向力上限，直到满足规定失效概率的轴承设计使用寿命。规定失效概率的轴承设计使用寿命。规定失效概率的轴承设计使用寿命。
技术研发人员：郑茂军 郑凯 程荣辉 宋洋 曹茂国 张勇 丛佩红 许丽叶 尚尔魁 袁雪 丁学杉 刘志硕
受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所
技术研发日：2022.06.07
技术公布日：2022/11/1
