一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法技术

本发明专利技术为克服弹性支承理论设计方法不能考虑装配要求以及还需要通过有限元方法进行多次迭代计算的技术不足，提出了一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法，是一种具有内凸台或外凸台或同时具有内外凸台的弹性支承结构有限元设计优化方法，该方法可同时考虑装配关系、不同材料属性的影响，并自动开展转子

【技术实现步骤摘要】
一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法


[0001]本专利技术属于飞机起动系统设计领域，具体涉及一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法。

技术介绍

[0002]空气涡轮起动机是一种依靠压缩空气推动涡轮旋转，并利用自身的减速系统进行增扭，实现大扭矩、高转速输出起动航空发动机的旋转机械。空气涡轮起动机一般由涡轮、减速器、离合器三大部分组成，其涡轮具有高功率、高转速、高载荷的使用特点。由于应用于航空方面，要求空气涡轮起动机结构紧凑，质量更小，功率更高。与一般的高速转子不同的是，行业内空气涡轮起动机的涡轮转子可以输出最高300kW的功率，目前国内空气涡轮起动机的涡轮最高转速可以达到150000RPM，其涡轮支承为达成减重、结构紧凑的实际需求，采用悬臂式两轴承支承。悬臂式转子的运动稳定性一般比对称支承的转子更加恶劣，此外，高速旋转的悬臂转子更加难以控制其振动特性。
[0003]转子振动特性控制措施主要是增加运动阻尼或更改支承刚度。在增加振动阻尼方面，航空发动机转子一般引入挤压油膜阻尼器增加运动阻尼，减小转子过临界或正常运行时的振动响应。不过，空气涡轮起动机结构紧凑，是无法安装一个用于给挤压油膜阻尼器供给高压滑油的滑油泵结构的。此外空气涡轮起动机的正常工作状态为持续非稳态高转速工作过程，并不能实际发挥挤压油膜阻尼器的功效。
[0004]因此，调整转子系统支承刚度是目前唯一可行的方案。调整支承刚度一般使用弹性支承替换刚性支承，弹性支承与轴承的串联刚度可以调整转子的动力学特性。

技术实现思路
<br/>[0005]本专利技术目的：开发了一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法，通过该优化方法可以获得一种结构简单，调频效果显著的转子弹性支承结构。支承刚度降低可以调整转子振动特性，提升空气涡轮起动机的可靠性与安全性。
[0006]技术方案：一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法，所述优化方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1，获取涡轮轴承径向、轴向尺寸及轴承支承刚度，获取轴承设计参数；
[0008]步骤S2：根据涡轮转子结构特征及支承位置，调用步骤S1中所述的轴承尺寸及轴承刚度参数，计算转子在该条件下的模态及临界转速，确定转子轴承刚度的调整方向与范围；
[0009]步骤S3：建立弹性支承组件的参数化模型，以弹性轴模拟轴承，以弹性圆环模拟轴承安装座；
[0010]步骤S4：利用有限元软件自动读取材料属性、装配关系、求解计算、获得计算结果、寻找优化路径、循环迭代获得某一刚度下的弹性支承结构；
[0011]步骤S5：调入涡轮模型，开启转子动力学分析模块，以步骤S4中获得的弹性支承刚
度与步骤S1中轴承刚度的串联刚度作为总体刚度，开展转子临界转速分析；
[0012]步骤S6：对当前转子临界转速进行分析，若不满足设计要求，则重复S3
‑
S5步骤直至满足设计要求。
[0013]进一步的，步骤S1中，根据实际轴承所受载荷及寿命要求选择轴承，获得轴承设计参数至少包括：结构参数及轴承刚度参数；结构参数包括内径、外径、宽度。
[0014]进一步的，步骤S2实现过程包括：1)获取涡轮转子支承位置参数；2)获得材料参数；3)建立初步有限元分析模型；4)根据有限元模型开展计算，得到转子的振动模态及临界转速Campbell图，评估转子的弯曲模态的1阶临界转速，获得初步计算结果；5)根据实际使用需求，确定空气涡轮起动机转子需要长期工作的转速点及脱开转速点，根据评估标准及实际临界转速值确定支承刚度的调整方向与调整范围。
[0015]进一步的，步骤S2中，建立有限元分析模型是在有限元软件中导入空气涡轮起动机涡轮转子模型，约束转子模型中轴承安装位置的轴向转动及轴向位移自由度，以弹簧单元代替轴承，并赋予弹簧单元步骤S1中获得的轴承刚度值。
[0016]进一步的，确定空气涡轮起动机转子需要长期工作的转速点及脱开转速点时，要求1、2阶临界转速需要远离长期工作的转速点及脱开转速点的
±
20％以上，根据评估标准及实际临界转速值确定支承刚度的调整方向与调整范围。
[0017]进一步的，步骤S3执行过程包括：1)选择弹性支承基本型；2)建立弹性支承的参数化模型；3)建立弹性支承刚度分析有限元模型。
[0018]进一步的，建立弹性支承的参数化模型时，基于有限元软件ANSYS APDL语言，建立包含弹性支承所有结构信息的参数化模型进行设计。
[0019]进一步的，建立弹性支承刚度分析有限元模型时，建立弹性支承内径为外径的弹性圆环模拟轴承，建立弹性支承外径为内径的弹性圆环模拟轴承座。
[0020]进一步的，步骤S4执行过程是：1)读取材料力学性能数据；自动读取弹性支承、弹性轴、弹性轴承圆环的材料属性，该材料属性需要包含弹性模量、密度、泊松比、屈服强度、塑性材料属性；2)根据实际使用环境，弹性支承同时与轴承、轴承支座接触，为减小弹性支承在涡轮涡动作用下与轴承、轴承支座发生磨损；在计算初始给定一较小过盈量作为输入条件，并该过盈量作为优化参数在后期优化设计中进行迭代。3)约束弹性轴承座外壁面所有自由度；约束弹性圆轴轴向转动、轴向位移自由度、径向旋转自由度；约束弹性支承轴向位移自由度，并设置弹性支承与弹性圆轴、弹性轴承座的过盈接触关系，
[0021]为模拟转子设计工作过程中产生的涡动位移，假设转子作正圆形涡动，由此对弹性圆轴施加径向(x，y)的两个互相垂直的位移载荷；该载荷值在0
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1mm之间变化，且此两位移载荷需要满足轨迹为圆的要求；4)自动求解当前参数下的弹性支承对弹性圆轴的支反力，并由位移载荷与支反力获得弹性支承的刚度值。将弹性支承的应力、应变、质量、刚度值写入文件scratch；5)采用有限元零阶优化或1阶优化或2阶优化算法进行直接优化，优化分析步中调用步骤4)中scratch文件并读取设计变量、目标函数、约束变量，以刚度值、弹性支承内应力值作为判定基准；搜索优化路径并迭代至结果收敛。
[0022]有益技术效果：
[0023]本专利技术采用有限元接触计算分析方法，建立了弹性支承结构的参数化设计与优化方法，与现有弹性支承设计方法具有以下显著优势：
[0024](1)支承结构设计优化过程考虑精确模型结构。
[0025]对弹性支承的结构进行完全参数化建模，将弹性支承的内侧凸台尺寸、外侧凸台尺寸、倒角尺寸综合设计。使几何结构设计更满足工程实际加工、使用的要求。
[0026](2)支承结构设计优化过程考虑结构强度、寿命、装配安装要求。
[0027]支承结构安装在轴承外环与轴承座之间，且两处均为过盈配合，由于接触的强非线性影响，过盈量的大小会直接影响弹性支承的刚度。此外，由于涡轮转子的涡动，弹性支承结构同步形变，该形变会导致弹性支承结构内部产生一定的应力分布。若该应力分布未经足够设计，可能导致弹性支承结构快速疲劳，产生破坏影响转子运行安全。在设计优化过程中考本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法，其特征在于，所述优化方法，包括以下步骤：步骤S1，获取涡轮轴承径向、轴向尺寸及轴承支承刚度，获取轴承设计参数；步骤S2：根据涡轮转子结构特征及支承位置，调用步骤S1中所述的轴承尺寸及轴承刚度参数，计算转子在该条件下的模态及临界转速，确定转子轴承刚度的调整方向与范围；步骤S3：建立弹性支承组件的参数化模型，以弹性轴模拟轴承，以弹性圆环模拟轴承安装座；步骤S4：利用有限元软件自动读取材料属性、装配关系、求解计算、获得计算结果、寻找优化路径、循环迭代获得某一刚度下的弹性支承结构；步骤S5：调入涡轮模型，开启转子动力学分析模块，以步骤S4中获得的弹性支承刚度与步骤S1中轴承刚度的串联刚度作为总体刚度，开展转子临界转速分析；步骤S6：对当前转子临界转速进行分析，若不满足设计要求，则重复S3
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S5步骤直至满足设计要求。2.如权利要求1所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法，其特征在于，步骤S1中，根据实际轴承所受载荷及寿命要求选择轴承，获得轴承设计参数至少包括：结构参数及轴承刚度参数；结构参数包括内径、外径、宽度。3.如权利要求1所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法，其特征在于，步骤S2实现过程包括：1)获取涡轮转子支承位置参数；2)获得材料参数；3)建立初步有限元分析模型；4)根据有限元模型开展计算，得到转子的振动模态及临界转速Campbell图，评估转子的弯曲模态的1阶临界转速，获得初步计算结果；5)根据实际使用需求，确定空气涡轮起动机转子需要长期工作的转速点及脱开转速点，根据评估标准及实际临界转速值确定支承刚度的调整方向与调整范围。4.如权利要求3所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法，其特征在于，步骤S2中，建立有限元分析模型是在有限元软件中导入空气涡轮起动机涡轮转子模型，约束转子模型中轴承安装位置的轴向转动及轴向位移自由度，以弹簧单元代替轴承，并赋予弹簧单元步骤S1中获得的轴承刚度值。5.如权利要求3所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法，其特征在于，确定空气涡轮起动机转子需要长期工作的转速点及脱开转速点时，要求1、2阶临界转速需要远离长期工作的转速点及脱开转速点的
±
20％以上，根据评估标准及实际临界转速值确定支承刚度的调整方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙唯一，吕国川，石小龙，陈利强，童琦琦，黄芳，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心，
类型：发明
国别省市：