【技术实现步骤摘要】
一种带中介轴承双转子系统的可容模态优化设计方法
[0001]本专利技术涉及航空发动机领域，具体是一种带中介轴承双转子系统的可容模态优化设计方法。
技术介绍
[0002]现代航空发动机采用的主要构型为带中介轴承的双转子系统构型，其包含低压转子和高压转子两个转子。由于在生产和组装过程中产生的误差无法被完全消除，低压转子和高压转子上均存在由这些误差产生的不平衡量。在航空发动机运行过程中，低压转子和高压转子上的不平衡量均会产生不平衡激振力，这意味着双转子系统同时存在低压激励源和高压激励源。无论是低压激励源或高压激励源，均会通过中介轴承激起整个航空发动机双转子系统的振动，因此，双转子系统的临界转速包括低压转子激励模态的临界转速和高压转子激励模态的临界转速两类临界转速。对于民用航空发动机而言，较高的安全性和经济性是追求的目标，因此其大部分时间稳定运行在较小的高效率转速区间，在设计带中介轴承的双转子民用发动机结构时，调整临界转速使其避开高效率转速区间，即“临界转速裕度”准则一直适用。但是对于军用航空发动机而言，对高性能和高推重比的不断追求...
【技术保护点】
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种带中介轴承双转子系统的可容模态优化设计方法，所述带中介轴承双转子系统由低压转子系统、高压转子系统和第四中介支承组成，所述低压转子系统包括低压风扇盘、低压涡轮盘、低压转子轴、第一弹性支承、第二刚性支承和第五弹性支承，所述高压转子系统包括高压压气机盘、高压涡轮盘、高压转子轴和第三弹性支承；其中，在所述低压转子轴的两端分别套装有低压风扇盘和低压涡轮盘；在该低压风扇盘与低压涡轮盘之间依次有第一弹性支承和第二刚性支承；所述第五弹性支承位于该低压涡轮盘的外侧，并处于该低压转子轴的端头处；所述高压转子轴套装在该低压转子轴上；该高压转子轴靠近低压风扇盘一端的外圆周表面通过第三弹性支承支撑，该高压转子轴靠近低压涡轮盘的一端的内圆周表面与低压转子轴的外圆周表面之间通过第四中介支承支撑；在该高压转子轴的外圆周上套装有高压压气机盘和高压涡轮盘，并使该高压压气机盘靠近所述低压风扇盘，使该高压涡轮盘靠近低压涡轮盘一端；其特征在于，具体过程如下：步骤1，确定优化设计的输入条件：所述优化设计的输入条件包括带中介轴承双转子系统的一维有限元模型的有限元节点位置、材料参数和带中介轴承双转子系统的转速控制律；所述一维有限元模型的单元类型为线状，各有限元节点均沿带中介轴承双转子系统中的低压转子轴的轴向和高压转子轴的轴向分布；所述各有限元节点包括分布在所述高压转子轴上的第十有限元节点、第十一有限元节点、第十二有限元节点、第十三有限元节点和第十四有限元节点与分布在所述低压转子轴上分布有第一有限元节点、第二有限元节点、第三有限元节点、第四有限元节点、第五有限元节点、第六有限元节点、第七有限元节点、第八有限元节点和第九有限元节点；所述材料参数为带中介轴承双转子系统材料的密度、弹性模量和泊松比；所述带中介轴承双转子系统的转速控制律为高压转子的转速Ω
h
与低压转子的转速Ω
L
之间满足的控制规律；所述带中介轴承双转子系统的转速控制律满足以下关系式：Ω
h
＝
‑
1.5Ω
L
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)式(28)中，Ω
L
为低压转子的转速，取值范围为0～20000，单位为r/min，Ω
h
为高压转子的转速，取值范围为
‑
30000～0，单位为r/min，其中负号表示高压转子转向与低压转子转向相反，即高压转子和低压转子对转；至此，得到优化设计的全部输入条件，包括带中介轴承双转子系统的一维有限元模型的有限元节点位置、材料参数和带中介轴承双转子系统的转速控制律；步骤2，确定优化设计的自变量：所述优化设计的自变量包括：带中介轴承双转子系统高压转子轴上各轴元素的长度、外半径和内半径；低压转子轴上各轴元素的长度、外半径和内半径；各盘的质量、对直径的转动惯量和极转动惯量；所述各盘包括低压风扇盘、高压压气机盘、高压涡轮盘和低压涡轮盘；各支承的刚度和阻尼；所述各支承包括第五弹性支承、第四中介支承、第三弹性支承、第二刚性支承和第一弹性支承；其中：所述轴元素为带中介轴承双转子系统的一维有限元模
型中各两个相邻有限元节点间的轴段；步骤3，确定优化设计的约束条件：所述优化设计的约束条件包括：步骤2中所确定的优化设计自变量的取值范围、刚支模态约束和叶盘惯量参数约束；所述刚支模态约束是避免带中介轴承双转子系统在转速控制律下出现支承绝对刚性的转子模态的约束条件；所述叶盘惯量参数约束是使带中介轴承双转子系统避开动力学临界跟随现象的约束条件；确定优化设计的约束条件的具体过程是：Ⅰ确定自变量的取值范围：所述轴元素自变量是各低压转子轴上相邻有限元节点之间距离的长度、低压转子轴的内半径和该低压转子轴的外半径；各高压转子轴上相邻有限元节点之间距离的长度、高压转子轴的内半径和该高压转子轴的外半径；各盘的参数；各支承的参数；所述的盘参数分别是各盘的质量、极转动惯量和对直径的转动惯量；所述各盘是低压风扇盘、低压涡轮盘、高压压气机盘和高压涡轮盘；所述各支承的参数包括各支承的刚度和阻尼；所述各支承是第一弹性支承、第二刚性支承、第三弹性支承、第四中介支承和第五弹性支承；Ⅱ确定的刚支模态约束为：式(29)中：式(29)中：式(29)和(30)中，ω
Lcri
为采用的带中介轴承双转子系统工作范围内任一阶低压激励临界转速，和分别为采用的带中介轴承双转子系统刚支临界转速的低压激励第一阶和低压激励第二阶；式(30)和式(31)中，数值0.9表示约束下界，数值1.1表示约束上界；所述低压激励临界转速是将步骤1中的输入条件和步骤2中的自变量带入有限元中获得；所述刚支临界转速通过将步骤1所述输入条件、步骤2所述除支承刚度外的自变量、带中介轴承双转子系统所有支承刚度全部为1
×
108N/m带入有限元获得；式(29)和(31)中，ω
hcrg
为所述采用的带中介轴承双转子系统工作范围内任一阶高压激励临界转速，和分别为带中介轴承双转子系统刚支临界转速的高压激励第一阶和高压激励第二阶；该高压激励临界转速通过将步骤1所述优化设计的输入条件和步骤2所述优化设计的自变量带入有限元获得；Ⅲ确定所述叶盘惯量参数约束为：min(f(ξ
L
),f(ξ
h
))＞0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)式(32)中，对于所述的对转双转子：
式(33)中，所述ξ
L
为步骤2所述带中介轴承双转子系统的低压转子上任一个盘的极转动惯量与对直径的转动惯量的比值，所述ξ
h
为步骤2所述带中介轴承双转子系统的高压转子上任一个盘的极转动惯量与对直径的转动惯量的比值；式(33)中，数值0.95表示约束下界，数值1.05表示约束上界；步骤4，确定优化设计的优化目标：所述优化设计的优化目标为：式(34)中，m为带中介轴承双转子系统工作范围内的低压激励模态数量，通过将步骤1所述输入条件和步骤2所述自变量带入有限元获得，n为带中介轴承双转子系统工作范围内的高压激励模态数量；将步骤1所述输入条件和步骤2所述自变量带入有限元获得，ζ
Li
为低压激励第i阶模态的优化权重，ζ
hg
为高压激励第g阶模态的优化权重，f
Lito
为带中介轴承双转子系统低压激励第i阶模态的模态可容度评价函数，f
hgto
为带中介轴承双转子系统高压激励第g阶模态的模态可容度评价函数；确定所有模态的初始优化权重的取值；所述所有模态的初始优化权重均取1；步骤5，确定遗传算法参数：所述遗传算法参数包括遗传代数、种群数量、种群个体数量、迁移率、代沟、交叉概率和变异概率；步骤6，进行优化设计：根据步骤1所述输入条件、步骤2所述自变量、步骤3所述约束条件、步骤4所述优化目标和步骤5所述遗传算法参数进行优化设计，具体过程如下：第Ⅰ步，将步骤2所述自变量在步骤3所述的取值范围中，随机生成大量初始种群；第Ⅱ步，采用现有技术中的有限元计算方法，将所述初始种群、步骤1所述输入条件带入有限元，判断是否满足步骤3所述刚支模态约束和叶盘惯量参数约束，若满足约束则继续优化，不满足约束则重复第Ⅰ步，直至满足约束；第Ⅲ步，采用现有技术中的有限元计算方法，将所述初始种群、步骤1所述输入条件带入有限元，计算步骤4所述优化设计的优化目标；第Ⅳ步，通过遗传算法不断更新自变量；通过遗传算法不断更新步骤2所述自变量，并将更新后的自变量、步骤1所述输入条件分别带入有限元中，判断是否满足步骤3所述刚支模态约束和叶盘惯量参数约束；若满足约束，则采用现有技术中的有限元计算方法，将所述更新后的自变量、步骤1所述输入条件带入有限元，计算步骤4所述优化设计的优化目标，并基于遗传算法，寻找使优化目标最大的步骤2所述自变量；若不满足约束，则通过遗传算法，继续更新步骤2所述自变量；当满足如下条件时结束优化并输出步骤2所述自变量的优化结果：遗传算法运行代数超过步骤5所述遗传代数，或步骤4所述优化目标函数大于0.99；
步骤7，检验优化结果：检验优化结果的方法为：采用现有技术中的有限元计算方法，将第Ⅳ步中所述优化结果、步骤1所述输入条件带入有限元，得到步骤4所述带中介轴承双转子系统低压激励各阶模态的模态可容度评价函数和高压激励各阶模态的模态可容度评价函数；若得到的各阶模态的模态可容度评价函数均≥0.8，则第
Ⅴ
步中所述优化结果为所述带中介轴承双转子系统可容模态优化设计的最优结果；若存在模态可容度评价函数＜0.8的模态，则调整步骤3所述优化权重、调整步骤5所述遗传代数，重复第Ⅰ步开始重新优化，直至得到的各阶模态的模态可容度评价函数均≥08.；所述优化权重的调整方法为：对模态可容度评价函数＜0.8的模态，将其权重在前一次权重的基础上提高150％，其余模态权重不变；所述遗传代数的调整方法为：将步骤5所述遗传代数提高120％；所述的带中介轴承双转子系统经过可容模态优化设计后，确定了所述低压转子轴上的各相邻有限元节点之间距离长度、所述盘参数优化值、各支承的参数取值范围和各阶模态的模态可容度评价函数，至此，完成了带中介轴承双转子系统的可容模态优化设计。2.如权利要求1所述带中介轴承双转子系统的可容模态优化设计方法，其特征在于，步骤1中所述各有限元节点的具体位置为：在所述高压转子轴上分布有第十有限元节点、第十一有限元节点、第十二有限元节点、第十三有限元节点和第十四有限元节点，其中，所述第十有限元节点位于该高压转子轴靠近低压风扇盘一端的端面处，并使该第十有限元节点与所述第三弹性支承的轴线对应；在该高压转子轴靠近低压涡轮盘一端的端面处有第十四有限元节点，并使该第十四有限元节点与所述第四中介支承的轴线对应；所述第十一有限元节点的位置与高压压气机盘的轴向对称面相对应；所述第十三有限元节点的位置与高压涡轮盘的轴向对称面相对应；所述第十二有限元节点位于该第十一有限元节点与第十三有限元节点之间的中点处；在所述低压转子轴上分布有第一有限元节点、第二有限元节点、第三有限元节点、第四有限元节点、第七有限元节点、第八有限元节点和第九有限元节点；其中，第一有限元节点位于该低压转子轴有低压风扇盘一端的端面处，并使该第一有限元节点与该低压风扇盘的外端面对应；所述第九有限元节点位于该低压转子轴有低压涡轮盘一端的端面处，并使该第九有限元节点与所述第五弹性支承的轴线相对应；所述第八有限元节点与该低压涡轮盘的轴向对称面相对应；所述第七有限元节点位于低压涡轮盘内端面一侧，并与第四中介支承的轴线相对应；所述第二有限元节点、第三有限元节点和第四有限元节点分别位于所述低压风扇盘内端面与相邻的高压转子轴的端面之间，并使该第二有限元节点与所述第二刚性支承的轴线相对应，使该第三有限元节点与所述第二刚性支承的轴线相对应，使该第四有限元节点与所述第三弹性支承的轴线相对应；当所述第四有限元节点与第七有限元节点之间的间距为该低压转子轴总长度的1/4时，在该第四有限元节点与第七有限元节点之间设置有第五有限元节点和第六有限元节点，并使该第五有限元节点与第六有限元节点之间的距离为该低压转子轴总长度的1/8～1/10。3.如权利要求1所述带中介轴承双转子系统的可容模态优化设计方法，其特征在于，步骤3中确定的所述轴元素自变量的取值范围为：确定的所述各轴元素自变量的取值范围为：
各相邻有限元节点之间距离的长度：第一有限元节点～第二有限元节点之间距离的长度为40.00～60.00mm；第二有限元节点～第三有限元节点之间距离的长度为40.00～60.00mm；第三有限元节点至第四有限元节点之间距离的长度为40.00～60.00mm；第四有限元节点～第五有限元节点之间距离的长度为70.00～110.00mm；第五有限元节点～第六有限元节点之间距离的长度为60.00～90.00mm；第六有限元节点～第七有限元节点之间距离的长度为60.00～90.00mm；第七有限元节点～第八有限元节点之间距离的长度为40.00～60.00；第八有限元节点～至第九有限元节点之间距离的长度为40.00～60.00；第十有限元节点～第十一有限元节点之间距离的长度为40.00～60.00；第十一有限元节点～第十二有限元节点之间距离的长度为60.00～90.00；第十二有限元节点～第十三有限元节点之间距离的长度为60.00～90.00；第十三有限元节点～第十四有限元节点之间距离的长度为60.00～90.00；所述低压转子轴轴元素中内半径的取值范围为5.00～8.00mm，外半径的取值范围为13.00～17.00mm；确定的所述高压转子轴轴元素中内半径的取值范围为515.00～24.00mm，外半径的取值范围为22.00～28.00mm。4.如权利要求1所述带中介轴承双转子系统的可容模态优化设计方法，其特征在于，步骤3中确定的盘参数取值范围分别是：低压风扇盘的质量为4.00～6.00/kg，极转动惯量为240.00～280.00/10
‑4kg
·
m2，对直径的转动惯量为120.00～140.00/10
‑4kg
·
m2；低压涡轮盘的质量为4.00～6.00/kg，极转动惯量为240.00～280.00/10
‑4kg
·
m2，对直径的转动惯量为120.00～140.00/10
‑4kg
·
m2；高压压气机盘的质量为2.00～4.00/kg，极转动惯量为90.00～180.00/10
‑4kg
·
m2，对直径的转动惯量为45.00～90.000/10
‑4kg
·
m2；高压涡轮盘的质量为2.00～4.00/kg，极转动惯量为90.00～180.00/10
技术研发人员：廖明夫，王瑞，雷新亮，王理，李明，程驰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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