一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法和系统，所述方法包括：根据燃气发生器转动惯量评估发动机的起动加速性和可靠性；对发动机内部的轮盘强度、振动和寿命以及转子的动力特性进行评估；判断发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及转子的动力特性是否满足要求；根据判断结果确认是否完成设计。本发明专利技术在设计方案时就对发动机的起动加速性和可靠性进行评估，避免了在整机试车阶段出现起动加速性和可靠性不满足要求的情况，确保研制进度；同时在设计时考虑了起动加速性要求，使得转子转动惯量受到限制保证轮盘的一些参数裕度会在适当的范围内，不会造成裕度储备过大造成轮盘超重的问题。成轮盘超重的问题。成轮盘超重的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法和系统


[0001]本专利技术属于航空发动机领域，特别涉及一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法和系统。

技术介绍

[0002]快速、可靠的起动能力是航空燃气涡轮发动机的重要特性之一。目前的涡轴发动机燃气发生器转子设计方法在方案设计阶段并不考虑发动机的起动加速性和可靠性，而是通过后续的整机试验来验证。这种方法依赖于设计经验，如有没有相近功率的型号设计经验等等。如果在整机试验时发现起动加速性和可靠性不能满足要求，再进行结构更改，往往会影响研制进度，且导致研制成本上升。
[0003]面向全疆域就设计需求的涡轴发动机，要求陆、海共用，配装发动机需要兼顾平原、高原、高寒以及海洋环境下使用，要求发动机具有更好的起动加速性和可靠性，给发动机设计提出了新的挑战。在高原高寒环境下，空气密度和压力减小，使得起动时进入发动机的空气流量减少，导致点火起动困难。此外，不同的使用环境也增加了发动机寿命设计的难度。这就要求燃气发生器转子的重量较常规的发动机轻，并且具有较长的使用寿命。而采用传统的燃气发生器转子设计方法，原有的设计经验不能完全适用，很容易导致转子超重，在发动机起动方面具有较大的研制风险，是目前面向全疆域需求的发动机需要迫切解决的问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提出了一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
[0005]根据燃气发生器转动惯量评估所述发动机的起动加速性和可靠性；
[0006]对所述发动机内部的轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命以及转子的动力特性进行评估；
[0007]判断所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性是否满足要求；
[0008]根据判断结果确认是否完成设计。
[0009]若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性满足要求，则完成设计；
[0010]若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性有一个或多于一个未满足要求，则未完成设计，对所述发动机进行转子结构优化。
[0011]评估所述发动机的起动加速性和可靠性之前需要进行以下准备：
[0012]对发动机的起动电机进行选型并计算所述起动电机的扭矩和负载惯量；
[0013]构建所述燃气发生器的三维实体模型，所述实体模型中包括转动组件；
[0014]根据所述起动电机的扭矩和燃气发生器的传动链计算燃气发生器转动惯量；所述燃气发生器转动惯量为燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线上的转动惯量。
[0015]进一步地，评估所述发动机的起动加速性和可靠性包括评估起动点火时间和到达慢车时的时间是否满足要求。
[0016]进一步地，评估所述发动机内部轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命包括评估轮盘的强度裕度、振动裕度和安全寿命是否符合要求。
[0017]进一步地，评估所述转子的动力特性包括所述转子的临界转速和支撑刚度是否满足要求。
[0018]进一步地，以燃气发生器起动点火时间评估所述发动机的起动加速性，按照以下方法进行：
[0019]根据目标转速N和功率P计算得到起动电机的起动扭矩T；
[0020][0021]计算燃气发生器内各转动部件折算到起动电机轴线上的转动惯量I
M/K
；
[0022]I
M/K
＝I
K
(n
K
/n
M/K
)2ꢀꢀꢀ
(2)
[0023]式中，I
M/K
表示燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线的转动惯量；I
K
表示第K个零部件绕自身轴线的转动惯量；n
K
表示第K个零部件的转速；n
M/K
表示起动电机的转速；
[0024]根据所述起动扭矩T和起动电机负载惯量J计算发动机的角速度β；
[0025][0026]其中，J＝I
M/K
；
[0027]根据所述发动机的角加速度和燃气发生器点火时的转速计算起动点火时间；
[0028][0029]式中，N
p
为燃气发生器点火转速，t为起动点火时间，其中为在燃气发生器转速从0至到达起动点火转速时的平均角加速度。
[0030]进一步地，以燃气发生器达到慢车的时间评估所述发动机起动加速性，按照以下方法进行：
[0031]根据所述发动机的角速度和起动点火时间计算发动机脱开时间t1；
[0032][0033]其中，N
p
为燃气发生器点火转速，β为发动机的角加速度，t为起动点火时间，n
g1
为电机脱开时的燃气发生器转速；
[0034]根据所述发动机脱开时间计算燃气发生器达到慢车的时间t2；
[0035][0036]其中，β为发动机的角加速度，t为起动点火时间，N
g1
为起动电机脱开时的燃气发生器转速；N
g2
燃气发生器达到慢车时的转速。
[0037]本专利技术还提出了一种涡轴发动机燃气发生器转子设计系统，所述设计系统包括：
[0038]第一评估模块，用于根据燃气发生器转动惯量评估所述发动机的起动加速性和可靠性；
[0039]第二评估模块，用于对所述发动机内部的轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命以及转子的动力特性进行评估；
[0040]判断模块，用于判断所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性是否满足要求；
[0041]确认模块，用于根据判断结果确认是否完成设计。
[0042]进一步地，所述系统还包括第一计算模块和第二计算模块；
[0043]第一计算模块，用于对起动电机进行选型并计算所述起动电机的扭矩和负载惯量；
[0044]建模模块，用于构建所述燃气发生器的三维实体模型，所述实体模型中包括转动组件；
[0045]第二计算模块，根据所述起动电机的扭矩和燃气发生器的传动链计算燃气发生器转动惯量；所述燃气发生器转动惯量为燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线上的转动惯量。
[0046]进一步地，若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性满足要求，则完成设计；
[0047]若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性有一个或多于一个未满足要求，则未完成设计，对所述发动机进行转子结构优化。
[0048]本专利技术的有益效果：
[0049]本专利技术在涡轴发动机方案设计阶段就对发动机的起动加速性和可靠性进行评估，并在满足要求的前提下实现燃气发生器转子的轻量化设计，避免了在整机试车阶段出现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：根据燃气发生器转动惯量评估所述发动机的起动加速性和可靠性；对所述发动机内部的轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命以及转子的动力特性进行评估；判断所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性是否满足要求；根据判断结果确认是否完成设计。2.根据权利要求1所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性满足要求，则完成设计；若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性有一个或多于一个未满足要求，则未完成设计，对所述发动机进行转子结构优化。3.根据权利要求1或2所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，评估所述发动机的起动加速性和可靠性之前需要进行以下准备：对发动机的起动电机进行选型并计算所述起动电机的扭矩和负载惯量；构建所述燃气发生器的三维实体模型，所述实体模型中包括转动组件；根据所述起动电机的扭矩和燃气发生器的传动链计算燃气发生器转动惯量；所述燃气发生器转动惯量为燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线上的转动惯量。4.根据权利要求1或2所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，评估所述发动机的起动加速性和可靠性包括评估起动点火时间和到达慢车时的时间是否满足要求。5.根据权利要求1所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，评估所述发动机内部轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命包括评估轮盘的强度裕度、振动裕度和安全寿命是否符合要求。6.根据权利要求1所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，评估所述转子的动力特性包括所述转子的临界转速和支撑刚度是否满足要求。7.根据权利要求4所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，以燃气发生器起动点火时间评估所述发动机的起动加速性，按照以下方法进行：根据目标转速N和功率P计算得到起动电机的起动扭矩T；计算燃气发生器内各转动部件折算到起动电机轴线上的转动惯量I
M/K
；I
M/K
＝I
K
(n
K
/n
M/K
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，I
M/K
表示燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线的转动惯量；I
K
表示第K个零部件绕自身轴线...

【专利技术属性】
技术研发人员：包幼林，张立章，高洁，赵艳云，李立新，向露宇，
申请(专利权)人：中国航发湖南动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：