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一种复杂 转子模型简化方法

阅读：1015发布：2020-07-08

专利汇可以提供一种复杂转子模型简化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种复杂转子模型简化方法。本方法简化的模型为双转子模型，具体包括一个实心的内部低压转子和套在低压转子外部的空心高压转子，高、低压转子的一端或两端通过连接件与弹性支承连接，弹性支承的一端固定；简化思路为将耦合的双转子模型简化为单独的两根单转子模型。本发明通过理论简化的方法，使耦合的复杂双转子模型简化成两个单转子结构，从而可以通过仿真软件直接求解转子的临界转速值，而不必通过繁琐的间接方式。，下面是一种复杂转子模型简化方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种复杂转子模型简化方法，简化的模型为双转子模型，具体包括一个实心的内部低压转子和套在低压转子外部的空心高压转子，高、低压转子的一端或两端通过连接件与弹性支承连接；其特征在于：将耦合在一起的复杂双转子系统简化为简单的单个转子系统，具体步骤包括：
(1)、使用三维绘图软件绘制双转子几何模型图；
利用三维绘图软件建立双转子的实体模型；其中，采用自上而下的建模方式，分别建立高压转子、低压转子和弹性支承三个空白文件，并将所述三个空白文件装配至同一个装配体中，在装配体中分别激活三个空白文件，以相同的坐标和参考点绘制高压转子、低压转子和弹性支承的三维几何模型；
(2)、利用ANSYS Workbench求解简化后的对标参数；
以步骤(1)中绘制的完整双转子模型为对标对象，以双转子系统的临界转速值为对标参数；采用不同的两种以上方式求解双转子系统的临界转速值；保证不同的两种以上方式求得的临界转速值在误差范围内，确保临界转速值计算的正确性；
(3)、对双转子模型进行简化；
将耦合的双转子模型直接拆分为单独的高压转子和单独的低压转子，原高压转子和低压转子的支承处采用Workbench中的轴承单元替代，将耦合在高、低压转子之间的弹性支承折算成刚度，其中，所述轴承单元的刚度为弹性支承折算成的刚度与双转子模型中高、转子与弹性支承相连的连接件的刚度的串联值；求解拆分后的高压转子与低压转子的临界转速值，并与步骤(2)中求得的对标参数进行对标。
2.根据权利要求1所述的复杂转子模型简化方法，其特征在于：所述弹性支承为鼠笼弹性支承，高、低压转子通过滚动轴承连接在鼠笼弹性支承上。
3.根据权利要求1所述的复杂转子模型简化方法，其特征在于：所述求得的临界转速值误差范围控制住百分之五以内。
4.根据权利要求1、2、3任一所述的复杂转子模型简化方法，其特征在于：所述临界转速值的求解方法包括坎贝尔图法，具体为：
转速从零开始，按比例关系λ＝ω2/ω1和一定的增量给定一系列低、高压转子的转速ω1和ω2，计算每一对转速下系统的固有频率；以低压转子转速ω1为横轴，系统固有频率Ω为纵轴，绘制进动频率曲线，绘制直线H1：Ω＝ω1/2π和H2：Ω＝ω1/2π，进动频率曲线与H1和H2即构成双转子系统的坎贝尔图。
5.根据权利要求1、2、3任一所述的复杂转子模型简化方法，其特征在于：所述临界转速值的求解方法包括不平衡响应求解法，具体为：通过对转子施加不平衡状态，求得响应曲线的峰值，以此来判断转子系统的临界转速。
6.根据权利要求2所述的复杂转子模型简化方法，其特征在于：所述鼠笼弹性支承的刚度利用下述公式进行折算：
其中，n为鼠笼肋条数，E为材料弹性模量，L为鼠笼肋条长度，b为鼠笼肋条截面宽度，h为鼠笼肋条界面高度，k为修正系数

说明书全文

一种复杂转子模型简化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及发动机转子技术领域，具体涉及一种复杂转子模型简化方法。

背景技术

[0002] 涡轴发动机用于直升机发动机且采用双转子系统，双转子系统由于高低压双轴的布局，其具有既能够满足压气机轴的高速旋转，又能够在输出端输出理想的转速等优点而广泛应用于航空发动机领域。

[0003] 通常而言，由于形状构造、制造精度等影响，转子系统并非是绝对完全对称的，转子系统在运转时经常处于自身不平衡激振力的作用下，当转子的激振频率等于转子转速时，机器发生剧烈振动，形成共振，共振时转子的转速称为临界转速，计算转子—支承的临界转速是转子动力学分析的重要前提。

[0004] 对于单转子而言，临界转速值的求解方式可以通过有限元仿真软件如ANSYS Workbench在其模态分析模块中通过出坎贝尔图的方式直接求得，但是，对于双转子系统甚至多转子系统而言，仿真软件中并未提供直接的临界转速值求解方法，因此，对于多转子系统必须通过间接的求解方式来获取其临界转速值，步骤繁琐，费时费力。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种复杂转子模型简化方法。可以直接对复杂双转子系统进行简化。

[0006] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

[0007] 一种复杂转子模型简化方法，简化的模型为双转子模型，具体包括一个实心的内部低压转子和套在低压转子外部的空心高压转子，高、低压转子的一端或两端通过连接件与弹性支承连接；本方法将耦合在一起的复杂双转子系统简化为简单的单个转子系统，具体步骤包括：

[0008] (1)、使用三维绘图软件绘制双转子几何模型图；

[0009] 利用三维绘图软件建立双转子的实体模型；其中，采用自上而下的建模方式，分别建立高压转子、低压转子和弹性支承三个空白文件，并将所述三个空白文件装配至同一个装配体中，在装配体中分别激活三个空白文件，以相同的坐标和参考点绘制高压转子、低压转子和弹性支承的三维几何模型；

[0010] (2)、利用ANSYS Workbench求解简化后的对标参数；

[0011] 以步骤(1)中绘制的完整双转子模型为对标对象，以双转子系统的临界转速值为对标参数；采用不同的两种以上方式求解双转子系统的临界转速值；保证不同的两种以上方式求得的临界转速值在误差范围内，确保临界转速值计算的正确性；

[0012] (3)、对双转子模型进行简化；

[0013] 将耦合的双转子模型直接拆分为单独的高压转子和单独的低压转子，原高压转子和低压转子的支承处采用Workbench中的轴承单元替代，将耦合在高、低压转子之间的弹性支承折算成刚度，其中，所述轴承单元的刚度为弹性支承折算成的刚度与双转子模型中高、转子与弹性支承相连的连接件的刚度的串联值；求解拆分后的高压转子与低压转子的临界转速值，并与步骤(2)中求得的对标参数进行对标。

[0014] 进一步地，所述弹性支承为鼠笼弹性支承，高低压转子通过滚动轴承连接在鼠笼弹性支承上。

[0015] 进一步地，所述求得的临界转速值误差范围控制住百分之五以内。

[0016] 进一步地，所述临界转速值的求解方法包括坎贝尔图法，具体为：

[0017] 转速从零开始，按比例关系λ＝ω2/ω1和一定的增量给定一系列低、高压转子的转速ω1和ω2，计算每一对转速下系统的固有频率；以低压转子转速(ω1)为横轴，系统固有频率(Ω)为纵轴，绘制进动频率曲线，绘制直线H1：Ω＝ω1/2π和H2：Ω＝ω1/2π，进动频率曲线与H1和H2即构成双转子系统的坎贝尔图。

[0018] 进一步地，所述临界转速值的求解方法包括不平衡响应求解法，具体为：通过对转子施加不平衡状态，求得响应曲线的峰值，以此来判断转子系统的临界转速。

[0019] 进一步地，所述鼠笼弹性支承的刚度利用下述公式进行折算：

[0020]

[0021] 其中，n为鼠笼肋条数，E为材料弹性模量，L为鼠笼肋条长度，b为鼠笼肋条截面宽度，h为鼠笼肋条界面高度，k为修正系数

[0022] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0023] 本发明针对特定支承方式的双转子模型结构，通过理论简化的方法，使其简化成两个单转子结构，从而可以通过仿真软件直接求解转子的临界转速值，而不必通过繁琐的间接方式。附图说明

[0024] 图1为双转子系统模型简化图；

[0025] 图2为鼠笼弹性支承结构简图；

[0026] 图3为传统双转子系统模型简化图；

[0027] 图4为简化后的高压转子；

[0028] 图5为简化后的低压转子。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：

[0030] 本发明的复杂转子模型简化方法，涉及的是一种特定的双转子模型结构，如图1所示的双转子系统模型简化图，具体包括一个实心的内部低压转子和套在低压转子外部的空心高压转子，高、低压转子的一端或两端通过连接件与弹性支承连接，图1中示出的是情况是高低压转子的左侧为未使用弹性支承的连接，右侧高压转子通过连接件与弹性支承连接，低压转子通过连接件与弹性支承连接，其中，连接件为轴承，可以使滑动轴承或者滚动轴承，弹性支承可以采用鼠笼弹性支承，如图2所示为鼠笼弹性支承结构简图，鼠笼弹性支承的刚度主要由其中间的肋条长度，高宽比以及肋条的数量等影响因素决定。

[0031] 双转子结构在航空发动机领域已经受到广泛的应用，传统的双转子结构也会通过弹性支承连接，传统的双转子结构如图3所示，其高低压转子在与弹性支承连接时采用的结构是弹性支承一端与高低压转子中的某一个通过连接件连接，另一个转子和弹性支承的连接方式一般为固定连接方式，而本发明的双转子与弹性支承的连接方式为某新型涡轴发动机研制过程中所使用区别于传统大多数支承方式的另一种支撑方式为，高低压转子均通过连接件与弹性支承相连，弹性支承外部与发动机的机壳相连，在此将省略发动机外部壳体，并将其作为刚体考虑，因此，弹性支承的一端简化为固定连接的方式。

[0032] 在上述结构的基础上，本发明将耦合的双转子模型简化为单独的两根单转子模型的具体步骤包括：

[0033] 首先，使用三维绘图软件绘制双转子几何模型图，本发明使用creo软件建立双转子的实体模型；建模过程采用自上而下的建模方式，分别建立高压转子、低压转子和弹性支承三个空白文件，并将所述三个空白文件装配至同一个装配体中，在装配体中分别激活三个空白文件，以相同的坐标和参考点绘制高压转子、低压转子和弹性支承的三维几何模型。

[0034] 第二，利用ANSYS Workbench求解简化后的对标参数；为了验证简化后的模型是否合理，需要对简化后的转子进行分析，并未分析的结果寻找到合适的对标的对象。本发明以creo中建立的完整双转子模型为对标对象，以双转子系统的临界转速值为对标参数，保证耦合的双转子系统所求的临界转速与简化后的单转子所求得的临界转速值在误差范围内即认为简化后的模型及所使用的参数是合理的，一般误差范围控制在百分之五范围以内；临界转速值有多种不同求解方式，多种求解方式均在误差范围内最好，本发明使用两种不同的方式求解临界转速值，第一，采用坎贝尔图法，单转子可以通过有限元仿真软件如ANSYS Workbench在其模态分析模块中直接得到坎贝尔图进而求得临界转速值，而多转子系统是不能直接得到坎贝尔图的，本发明的双转子的坎贝尔图求得具体为：转速从零开始，按比例关系λ＝ω2/ω1和一定的增量给定一系列低、高压转子的转速ω1和ω2，计算每一对转速下系统的固有频率；以低压转子转速(ω1)为横轴，系统固有频率(Ω)为纵轴，绘制进动频率曲线，绘制直线H1：Ω＝ω1/2π和H2：Ω＝ω1/2π，进动频率曲线与H1和H2即构成双转子系统的坎贝尔图；第二，采用不平衡响应求解临界转速值；通常而言，由于形状构造、制造精度等影响，转子系统并非是绝对完全对称的，转子系统在运转时经常处于自身不平衡激振力的作用下，当转子的激振频率等于转子转速时，机器发生剧烈振动，为了增加其振动峰值，可对转子施加不平衡状态，并求得响应曲线的峰值，以此来判断转子系统的临界转速。

[0035] 第三，对双转子模型进行简化；简化的思路是将耦合的双转子模型直接拆分为单独的高压转子和单独的低压转子，原高压转子和低压转子的支承处采用Workbench中的轴承单元替代，将耦合在高、低压转子之间的鼠笼弹性支承折算成刚度，其中，轴承单元的刚度为鼠笼弹性支承折算成的刚度与双转子模型中高、转子与弹性支承相连的连接件的刚度的串联值。图4与图5为简化后的高压转子与低压转子，仅以高压转子为例，如图4所示，简化后的高压转子没有弹性支承的连接，原2、3位置处的连接件用在计算临界转速值是使用Workbench中的轴承单元替代，轴承单元的刚度使用原连接件的刚度，特别的，在原弹性支承处具有连接件的，应将弹性支承的刚度折算进轴承单元的刚度之内。轴承单元的刚度折算方式很多，本发明采用公式进行折算，其中，n为鼠笼肋条数，E为材料弹性模量，L为鼠笼肋条长度，b为鼠笼肋条截面宽度，h为鼠笼肋条界面高度k为修正系数最后对分别求得的高低压转子的临界转速值，并与整体求得的临界转速值进行对标，以确保简化结果的正确性。

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