基于动力吸振的共用支承结构的优化设计方法技术

一种基于动力吸振的共用支承结构的优化设计方法，以燃气发生器转子和共用支承结构过渡段作为动力涡轮转子的动力吸振器，通过刚度匹配方法实现发动机部件之间的动力吸振，在不增加结构重量的情况下实现发动机在全转速范围内均能稳定的运行，并且能够解决共用支承结构过渡段外支承热应力集中的问题，包括共用支承结构双转子系统的待优化模态及待优化节点确定方式，共用支承结构的关键刚度的选取方法和选取原则，以及需要使用的共用支承结构刚度组合优化参考图，最终得到的各关键刚度即为优化后的共用支承结构双转子系统，在降低动力涡轮转子振动方面具有明显优势，充分利用航空发动机的既有结构，有利于提升航空发动机的功率重量比/推力重量比。重量比/推力重量比。重量比/推力重量比。

【技术实现步骤摘要】
基于动力吸振的共用支承结构的优化设计方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机设计和振动控制领域，具体是一种共用支承结构内部刚度的设计优化方法，用于带有该结构的航空发动机的减振设计。

技术介绍

[0002]近年来，动力涡轮转子和燃气发生器转子共用承力框架的共用支承结构在新一代涡轴发动机中得到了广泛的应用。采用该结构能够有效缩短涡轴发动机的轴向长度，并且可以降低发动机的排气损失，因此，成为涡轴发动机减重和提高功重比的重要手段。由于共用支承结构位于燃气发生器涡轮和动力涡轮之间，工作时，环境温度高，存在高温带来的支承刚度弱化的问题。此外，由于共用支承结构同时承载工作转速不同的燃气发生器转子和动力涡轮转子，会出现转子之间的振动耦合现象。在常见的涡轴发动机中，燃气发生器转子一般为带有挤压油膜阻尼器的准刚性转子，在工作转速范围内仅有平动和俯仰两种模态，工作时，挤压油膜阻尼器减振效果较为显著好，振动问题较易解决。然而，涡轴发动机动力涡轮转子一般长径比较大，且涡轮盘一般位于转子一端，工作范围内需要跨越多阶弯曲模态，振型节点常常落在挤压油膜阻尼器位置，致使阻尼器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动力吸振的共用支承结构的优化设计方法，其特征在于，具体过程如下：步骤1，确定共用支承结构双转子系统的待优化模态及待优化节点：确定共用支承结构双转子系统的非调整参数；所述共用支承结构双转子系统的非调整参数包括动力涡轮转子的几何尺寸和材料参数、动力涡轮转子前支点的刚度、燃气发生器转子尺寸和材料参数以及共用支承结构过渡段尺寸和材料参数；所述各参数根据发动机气动设计和空间尺寸技术指标获得；将确定的共用支承结构双转子系统的非调整参数、燃气发生器前支点的支承刚度、燃气发生器后支点的支承刚度、共用支承结构外支承的支承刚度，以及所述盘结构的初始不平衡量分别代入一维有限元方法中，计算共用支承结构双转子系统在工作转速范围内的各阶模态分别对应的各结构件的应变能占比，以及在工作转速范围内动力涡轮转子关键结构件的不平衡响应幅值；步骤2，确定燃气发生器前支点刚度：所述燃气发生器前支点刚度为燃气发生器前支点弹支在物理上所能达到的最低可用刚度；作为前支点的鼠笼弹支的刚度影响因素包括鼠笼弹支材质、笼条长度、笼条数目、笼条宽度、笼条截面和笼条根部倒圆尺寸；步骤3，确定燃气发生器后支点刚度取值范围：所述燃气发生器后支点的刚度取值范围上限为燃气发生器后支点处轴承型号刚度；步骤4，确定共用支承结构外支承刚度取值范围：所述共用支承结构外支承刚度的刚度取值上限为共用支承结构双转子系统的解耦刚度；该解耦刚度应为燃气发生器后支点刚度取值上限的10倍；共用支承结构外支承刚度取值范围的下限应为共用支承结构在物理上所能达到的最低可用刚度，其选取方法与步骤2中燃气发生器前支点刚度的确定方法相同；所述共用支承结构外支承刚度大于等于5
×
106N/m；步骤5，计算共用支承结构双转子系统在不同刚度组合下的不平衡响应：所述的不同刚度组合是燃气发生器后支点刚度与共用支承结构外支承刚度的组合；所述燃气发生器后支点刚度取值时，自步骤3确定的该燃气发生器后支点刚度取值的下限5
×
105N/m起始，以1
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106N/m的步长逐个递增，直至得到该燃气发生器后支点刚度的下限值至上限值之间的所有刚度值，并使得到的所述所有刚度值之间的间隔为1
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106N/m；将得到的燃气发生器后支点刚度的下限值至上限值之间的所有刚度值，与共用支承结构外支承刚度的下限值至上限值之间的所有刚度值两两组合，得到所有待求解的刚度组合；将得到的所有待求解的刚度组合、步骤2得到所述燃气发生器前支点刚度和步骤1中得到的所有共用支承结构双转子系统的非调整参数，分别代入所述一维有限元方法中，得到所述的共用支承结构双转子系统在待优化模态下待优化节点的不平衡响应；该不平衡响应即为所述共用支承结构双转子系统在不同刚度组合下的不平衡响应；步骤6，建立共用支承结构刚度组合优化参考图所述共用支承结构刚度组合优化参考图包括三个维度，自变量分布为曲面；其具体建立过程如下：
I.建立空间直角坐标系所述空间直角坐标系包括x轴、y轴和z轴三个维度；其中：所述x轴为燃气发生器后支点刚度K4，单位为N/m；所述y轴为共用支承结构外支承刚度K
g
，单位为N/m；所述z轴为共用支承结构双转子系统的待优化模态及待优化节点的不平衡响应；II.绘制转子不平衡响应曲面：通过所述一维有限元方法计算步骤5中得到的每个待求解的刚度组合下，共用支承结构双转子系统在待优化模态下及待优化节点在5g
·
cm不平衡量激励下的不平衡响应根据所述不平衡响应对应的x，y轴坐标，将该不平衡响应绘制在所述的坐标系内；构造网格曲线，增强不平衡响应曲面的可读性；III.绘制刚度最优取值线选取每条与x轴平行的网格曲线的z轴数值最低的点；连接选取的各数据点，得到燃气发生器后支点刚度最优取值线；该燃气发生器后支点刚度最优取值线即刚度K4的最优取值线；选取每条与y轴平行平行的网格曲线的z轴数值最低的点；连接选取各数据点，得到共用支承结构刚度最优取值线；该共用支承结构刚度最优取值线即刚度K
g
的最优取值线；采用曲线凹点定义方法，选取位于每条与y轴平行的网格线上、并且z坐标比两边点z坐标低的点作为曲线的凹点；连接所述曲线的凹点，得到共用支承结构刚度次优取值线；步骤7，确定刚度：所述刚度分为最优刚度和次优刚度；根据确定的燃气发生器后支点刚度最优取值线与共用支承结构刚度最优取值线之间的交点确定最优刚度，或根据所述燃气发生器后支点刚度最优取值线与共用支承结构刚度次优取值线之间的交点确定次优刚度；当燃气发生器后支点和共用支承结构鼠笼鼓筒在结构上不存在约束条件，能够自由设计时：选取所述燃气发生器后支点刚度最优取值线曲线与共用支承结构鼠笼鼓筒刚度最优取值线曲线的交点，以该...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘准，廖明夫，李维，宋明波，邓旺群，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：