一种风扇转子试验模型的动力学特性相似设计方法技术

一种风扇转子实验模型动力学特性相似设计方法，首先建立低压转子实验器的有限元模型，计算其模态特性。然后建立风扇转子实验模型，确定实验模型中风扇转子左右支点支承刚度、低压涡轮转子简化段转轴内外径及转轴上轮盘质量、直径转动惯量对此模型模态特性的影响规律。最后根据上述所得规律，调节各参数使风扇转子实验模型中风扇转子的动力学特性与低压转子系统中风扇转子的动力学特性一致。本发明专利技术在设计风扇转子实验器时，考虑了低压涡轮转子对风扇转子的耦合作用，将低压涡轮转子进行简化，通过上述相似设计获得了风扇转子实验模型设计过程中调整模态方法的一般性结论。便于对航空发动机风扇转子系统真实特性的研究。

A Similar Design Method for Dynamic Characteristics of Fan Rotor Test Model

A similar design method for dynamic characteristics of fan rotor experimental model is presented. Firstly, the finite element model of low-pressure rotor experimental device is established and its modal characteristics are calculated. Then, the experimental model of fan rotor is established to determine the influence of the support stiffness of the left and right fulcrums of fan rotor, the inner and outer diameter of the simplified section of low pressure turbine rotor, the mass of the wheel disc on the rotor and the moment of inertia of diameter on the modal characteristics of the model. Finally, according to the above rules, the dynamic characteristics of the fan rotor in the experimental model of the fan rotor are consistent with those of the fan rotor in the low-pressure rotor system by adjusting the parameters. In the design of the fan rotor tester, the coupling effect of the low-pressure turbine rotor on the fan rotor is considered, and the low-pressure turbine rotor is simplified. The general conclusion of the method of adjusting the modal in the design of the fan rotor experimental model is obtained through the above similar design. It is convenient to study the real characteristics of fan-rotor system of aero-engine.

【技术实现步骤摘要】
一种风扇转子试验模型的动力学特性相似设计方法
本专利技术涉及航空发动机转子系统
，尤其涉及一种风扇转子试验模型动力学特性相似设计方法。
技术介绍
低压转子系统是涡扇发动机的关键部分，由风扇转子和低压涡轮转子两部分组成。目前关于风扇转子进行的相关动力学特性分析都是为了反映真实发动机中转子系统的相关动力学特性。然而当前对风扇转子系统进行相应计算研究或者试验研究时，都是将风扇转子直接从低压转子系统中抽离出来。没有考虑风扇转子与低压涡轮转子间的连接对风扇转子的影响。实际上，由于连接的存在，低压涡轮转子与风扇转子之间存在耦合作用。将低压转子系统中的风扇段截取出来，在结构形式及支承位置不变，且不考虑低压涡轮转子与其的耦合关系时，仅通过调节风扇转子支承刚度的大小，难以使单独风扇转子系统的动力学特性与处于低压转子系统中的风扇转子的动力学特性一致。以往关于风扇转子系统的相关计算并不能说明如何反应真实状况下风扇转子的相关特性。因此对于单独风扇转子系统而言，使其反应的动力学特性与处于低压转子系统中风扇转子的动力学特性一致有待研究。由于真实发动机转子本身十分复杂，不便于分析，因此本专利技术利用转子试验器进行分析。
技术实现思路
为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供一种风扇转子试验模型动力学特性相似设计方法，首先建立低压转子试验器有限元模型，计算其模态特性。然后建立风扇转子试验模型，确定相应参数对此模型模态特性的影响规律。最后根据上述所得规律，调节各参数使此试验模型中风扇转子的动力学特性与低压转子系统中风扇转子的动力学特性一致。本专利技术的具体技术方案为：一种风扇转子试验模型动力学特性相似设计方法，包括如下步骤：第一步：建立低压转子试验器有限元模型并计算其模态特性，采用有限元法对含套齿联轴器的低压转子系统建模时，将套齿联轴器视为两个重合的结点，结点处的横向和转角刚度分别为套齿联轴器的横向和转角刚度；设风扇转子的第i节点与低压涡轮转子的第j节点用套齿联轴器联结，联轴器的径向刚度为Kr，角向刚度为Kt，设风扇转子第i节点的位移为：xi、yi、θix、θiy，低压涡轮转子第j个节点的位移为xj、yj、θjx、θjy。则作用在风扇转子节点i上的力和力矩Fix、Fiy、Mix、Miy为：作用在低压涡轮转子节点j上的力和力矩与作用在风扇转子节点i上的力和力矩大小相等方向相反。此低压转子系统的耦合刚度矩阵Kc为：此低压转子系统的无阻尼自由振动微分方程为：式中，K1，M1为风扇转子系统的刚度矩阵和质量矩阵；K2，M2为低压涡轮转子系统的刚度矩阵和质量矩阵；x为系统的广义位移向量；为系统的广义加速度向量。对转子系统求解方程(4)即可得到低压转子系统的模态特性。第二步：建立风扇转子试验模型，将风扇转子系统右端通过套齿联轴器联结一段轴与一个轮盘用以模拟低压涡轮转子对风扇转子的作用。第三步：确定风扇转子试验模型中风扇转子左右支点支承刚度对其模态影响规律。设定影响风扇转子试验模型模态特性的其他参数值，固定其中一个支点的支承刚度，允许另外一个支点的支承刚度变化，计算风扇转子模态随其的变化。第四步：确定风扇转子右端所连低压涡轮转子简化轴段内外径对其模态影响规律。设定影响风扇转子试验模型模态特性的其他参数值，固定其中一个轴径尺寸，允许另外一个轴径变化，计算风扇转子模态随其的变化。第五步：确定风扇转子右端所连低压涡轮转子简化轴段上轮盘质量、直径转动惯量对其模态影响规律。设定影响风扇转子试验模型模态特性的其他参数值，固定轮盘质量、直径转动惯量中的一个参数，允许另外一个参数变化，计算风扇转子模态随其的变化。第六步：根据上述各参数对风扇转子模态的影响规律，协调调节各参数，选出使风扇转子试验模型中风扇转子与低压转子系统中风扇转子动力特性相似的各个参数。本专利技术的有益效果：本专利技术通过考虑风扇转子系统与低压涡轮转子系统间的耦合作用，对低压涡轮转子进行相应简化处理，计入低压涡轮转子系统对风扇转子系统的影响。定量分析风扇转子试验模型中风扇转子左右支点支承刚度、低压涡轮转子简化段转轴内外径、轮盘质量、直径转动惯量对风扇转子前两阶模态的影响能力，获得了风扇转子试验模型设计过程中调整模态方法的一般性结论。便于对航空发动机风扇转子系统真实特性的研究。附图说明图1为本专利技术低压转子试验器有限元模型；图2为本专利技术风扇转子试验模型；图3为本专利技术图1所示模型中风扇转子的一、二阶振型；图4为本专利技术图2所示模型固有频率随风扇转子右支点支承刚度的变化；图5为本专利技术图2所示模型中风扇转子振型随其右支点支承刚度的变化；图6为本专利技术图2所示模型固有频率随风扇转子左支点支承刚度的变化；图7为本专利技术图2所示模型中风扇转子振型随其左支点支承刚度的变化；图8为本专利技术图2所示模型固有频率随风扇转子所连轴段外径的变化；图9为本专利技术图2所示模型中风扇转子振型随其所连轴段外径的变化；图10为本专利技术图2所示模型固有频率随风扇转子所连轴段内径的变化；图11为本专利技术图2所示模型中风扇转子振型随其所连轴段内径的变化；图12为本专利技术图2所示模型固有频率随风扇转子所连轴段上轮盘质量的变化；图13为本专利技术图2所示模型中风扇转子振型随其所连轴段上轮盘质量的变化；图14为本专利技术图2所示模型固有频率随风扇转子所连轴段上轮盘直径转动惯量的变化；图15为本专利技术图2所示模型中风扇转子振型随其所连轴段上轮盘直径转动惯量的变化；图16为本专利技术调整参数后计算得图2所示模型中风扇转子的一、二阶振型。图1、图2中的数字为转子系统有限元模型的节点序号。图1中节点3、4、10、11为低压压气机和低压涡轮盘简化为的4个转盘，节点2、5、12为低压转子系统的三个支点，节点5、6之间为套齿连接。图2中节点3、4为低压压气机简化为的2个转盘，节点2、5为风扇转子的两个支点，节点6至节点7为低压涡轮转子简化部分。其中节点5、6之间同样为套齿连接。图3、图5、图7、图9、图11、图13、图15、图16中：(a)—1阶振型；(b)—2阶振型。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术方法、目标与作用易于明白理解，下面结合一实例进一步阐述本专利技术。一种风扇转子试验模型动力学特性相似设计方法，首先建立低压转子试验器有限元模型，如图1所示，计算其模态特性。然后建立风扇转子试验模型，如图2所示。确定相应参数对此模型模态特性的影响规律。最后根据上述所得规律，调节各参数使此试验模型中风扇转子的动力学特性与低压转子系统中风扇转子的动力学特性一致。具体步骤如下：第一步：建立低压转子试验器有限元模型如图1所示，计算其模态特性。采用有限元法对含套齿联轴器的低压转子系统建模时，将套齿联轴器视为两个重合的结点，结点处的横向和转角刚度分别为套齿联轴器的横向和转角刚度。设风扇转子的第5节点与低压涡轮转子的第6节点用套齿联轴器联结，联轴器的径向刚度为1.35×108N/m，角向刚度为1.95×106N·m/rads(不考虑阻尼影响)，设风扇转子第5节点的位移为：x5、y5、θ5x、θ5y，低压涡轮转子第6个节点的位移为x6、y6、θ6x、θ6y。则作用在风扇转子节点5上的力和力矩F5x、F5y、M5x、M5y为：作用在低压涡轮转子节点6上的力和力矩与作用在风扇转子节点5上的力和力矩大小相等方向相反。此低压转子系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风扇转子试验模型动力学特性相似设计方法，其特征在于，包括步骤如下：第一步：建立低压转子试验器有限元模型并计算其模态特性，采用有限元法对含套齿联轴器的低压转子系统建模时，将套齿联轴器视为两个重合的结点，结点处的横向和转角刚度分别为套齿联轴器的横向和转角刚度；设风扇转子的第i节点与低压涡轮转子的第j节点用套齿联轴器联结，联轴器的径向刚度为Kr，角向刚度为Kt，设风扇转子第i节点的位移为：xi、yi、θix、θiy，低压涡轮转子第j个节点的位移为xj、yj、θjx、θjy；则作用在风扇转子节点i上的力和力矩Fix、Fiy、Mix、Miy为：

【技术特征摘要】
1.一种风扇转子试验模型动力学特性相似设计方法，其特征在于，包括步骤如下：第一步：建立低压转子试验器有限元模型并计算其模态特性，采用有限元法对含套齿联轴器的低压转子系统建模时，将套齿联轴器视为两个重合的结点，结点处的横向和转角刚度分别为套齿联轴器的横向和转角刚度；设风扇转子的第i节点与低压涡轮转子的第j节点用套齿联轴器联结，联轴器的径向刚度为Kr，角向刚度为Kt，设风扇转子第i节点的位移为：xi、yi、θix、θiy，低压涡轮转子第j个节点的位移为xj、yj、θjx、θjy；则作用在风扇转子节点i上的力和力矩Fix、Fiy、Mix、Miy为：作用在低压涡轮转子节点j上的力和力矩与作用在风扇转子节点i上的力和力矩大小相等方向相反；此低压转子系统的耦合刚度矩阵Kc为：此低压转子系统的无阻尼自由振动微分方程为：式中，K1，M1为风扇转子系统的刚度矩阵和质量矩阵；K2，M2为低压涡轮转子系统的刚度矩阵和质量矩阵；x为系统的广义位移向量；为系统的广义加速度向量；对转子系统求解方程(4)即可得到低压转子系统的模态特性；第二步：建立风扇转子试验模型，将风扇转子系统右端通过套齿联轴器联结一段轴与一个轮盘用以模拟低压涡轮转子对风扇转子的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳荣，罗忠，杨阳，侯小捷，葛晓彪，周逸夫，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21