【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空发动机和燃气轮机转子动力学领域，涉及转子结构的刚性连接设计，具体是一种发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法及其应用，用于优化刚性套齿联轴器设计。
技术介绍
1、航空发动机转子动力学设计是航空发动机设计的核心技术之一，其主要目标是将发动机整机振动降低到可接受的水平，为飞行器高可靠性飞行提供保证。为此，转子动力学设计必须遵守严格的设计准则。为满足转子动力学设计准则，一是设计转子刚度，二是设计支承刚度。当支承刚度一定的情况下，转子刚度就成为影响转子动力学特性的主要因素。
2、在航空发动机转子系统中，当轴系结构长度较大且整体结构较细长时，为了满足加工和装配的实际需求，通常采用分段轴设计方案，例如可以将轴做成两段轴的结构。两段轴之间需要通过刚性套齿联轴器进行连接，刚性套齿联轴器既需要在高转速、高载荷条件下传递扭矩，又需要通过精密的套齿结构实现两段轴之间的刚性连接，达到刚性套齿连接轴刚度与一根无连接整轴刚度一致的目的，从而尽量减少因连接刚度不足造成的振动问题。然而，现有技术中，刚性套齿联轴器的设计仍面临诸多挑战。
3、首先，在动力学设计方面，刚性套齿联轴器的设计质量直接影响连接刚度的大小，并直接影响转子的动态特性，由于转子在工作过程中受到多种振动模式的耦合作用，如果联轴器设计的不好，连接刚度不足，将导致转子振动加剧，高振动不仅会加速联轴器的疲劳损伤，还可能引起整机振动超标。
4、其次，在静态强度设计方面，刚性套齿联轴器的定位止口配合状态是决定其稳定性的重要因素。定位止口通
5、此外，针对细长轴结构的特殊要求，现有设计方法缺乏明确的定量设计指导，尤其是在三支点支承结构中，由于支点刚度的分布不均匀以及主承力支点刚度较高，联轴器连接刚度既受到动强度即振动的影响，又受到静强度即止口定位状态的影响，联轴器设计需在满足动态强度与静态强度的双重要求下，平衡各支点之间的载荷分布。
6、虽然目前转子动力学设计时提出了连接结构刚度稳健性的概念，然而连接结构稳健性设计只是一种设计要求，无具体的实操方法或者实操方法只是定性地指导，尚未形成系统性的优化设计方法。针对具体的转子结构特征，如何实现刚性套齿联轴器稳健性设计要求，由于缺乏可靠的参考依据，则需要设计人员视详细情况依靠经验和反复试验调整来实现设计目标，不仅耗时费力，而且难以保证设计的可靠性和最优性。
7、综上所述，现有技术在刚性套齿联轴器连接刚度设计方面仍然存在诸多缺陷和不足，因此如何实现联轴器连接刚度的稳健性，并兼顾动态和静态性能的平衡，是发动机转子动力学设计领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、（一）专利技术目的
2、针对现有技术中存在的上述缺陷和不足，为提高航空发动机或燃气轮机三支点支承细长中心拉杆刚性套齿联轴器转子结构的连接刚度和稳定性，本专利技术提供了一种发动机拉杆式刚性套齿联轴器稳健性设计方法及其应用，在拉杆预紧力确定的情况下，通过分析全转速范围内套齿联轴器处的转子应变能密度、工作转速时联轴器定位止口的配合状态以及三支点支承转子的主承力支点位置，将联轴器置于转子应变能密度低的位置，保证定位止口至少有1/2长度处于定位可靠状态，并将联轴器应尽可能接近主承力支点，实现兼顾动强度和静强度要求的联轴器稳健性设计，从而有效降低转子振动风险，提高转子系统的整体稳定性和可靠性，确保发动机的可靠运行。
3、（二）技术方案
4、为实现该专利技术目的，解决其技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
5、本专利技术的第1个专利技术目的在于提供一种发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，用于航空发动机或燃气轮机中三支点支承细长中心拉杆转子结构的动力学优化设计，以提高刚性套齿联轴器的连接刚度稳健性，优化转子动力学性能，降低转子振动风险，该设计方法的实现步骤如下：
6、ss1. 初始结构转子动力学分析有限元模型建立
7、根据发动机中三支点支承细长中心拉杆转子的二维结构图，将刚性套齿联轴器简化为刚性连接，建立初始结构的转子动力学分析有限元模型（finite element model,fem），假定各支点的初始支承刚度，并基于fem模型进行转子在预设转速范围内的临界转速和应变能计算；
8、ss2. 转子结构参数优化及各支点支承刚度确定
9、对于步骤ss1中计算的初始支承刚度下转子的临界转速和应变能，分析判断其是否满足预设的转子动力学设计准则：若满足，则转入步骤ss3；若不满足，则在总体结构边界条件允许范围内，结合fem模型对转子结构参数及各支点的支承刚度进行迭代优化设计，直至转子临界转速、应变能分布及振型特性满足设计准则，并最终确定转子结构参数及各支点的支承刚度；
10、ss3. 临界转速时联轴器处的应变能密度分布分析
11、基于步骤ss2迭代优化后确定的转子结构及各支点支承刚度，利用fem模型计算分析所确定支点支承刚度下临界转速时转子的应变能密度分布，并判断刚性套齿联轴器处转子的应变能密度等级：若处于低应变能密度等级，则转入步骤ss4；若处于高应变能密度等级，则转入步骤ss5；
12、ss4. 联轴器定位止口定位可靠性分析
13、分析工作转速时刚性套齿联轴器定位止口的定位状态，分析定位止口的径向变形和定位可靠性，判断定位止口的定位长度是否满足至少1/2止口总长度而处于定位可靠状态的要求，若止口定位长度小于1/2止口总长度，则转入步骤ss5进行联轴器位置及结构优化设计，若不小于1/2止口总长度，则止口定位长度满足要求，则设计完成；
14、ss5. 联轴器位置及结构优化设计
15、首先，基于fem模型计算分析转子结构在工作转速下的等效应力分布，并将满足静强度要求的转子等效应力划分为若干不同等级；之后，基于转子的等效应力分布计算结果并结合步骤ss3中计算得到的应变能密度分布，将刚性套齿联轴器移动至低应变能密度及低应力均匀变形位置，并进行联轴器改进结构设计，调整其几何参数及止口结构；
16、ss6. 联轴器改进结构应变能密度验证与优化
17、基于步骤ss5优化后的联轴器位置及结构，基于fem模型重新计算分析联轴器改进结构在临界转速下的应变能密度，若联轴器应变能密度未达到低应变能密度等级要求，则返回步骤ss3进行循环迭代，直至满足要求；
18、ss7. 联轴器改进结构定位止口状态验证与优化
19、基于步骤ss6优化后的联轴器位置及结构，基于fem模型重新计算分析联轴器改进结构工作转速时定位止口定位状态，若止口定位长度小于1/2止口总长度，则返回步骤ss3进行循环迭代，直至止口定位长度满足要求，完本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，所述设计方法在实施时至少包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤SS1中，FEM模型的建立包括对转子轴几何特征的简化处理以及对刚性套齿联轴器的参数化约束设置，其中：转子轴的几何特征至少包括轴径、轴长和关键截面位置，刚性套齿联轴器的参数化约束至少包括刚性连接假设条件、套齿结合面的对齐精度及联轴器几何中心对转子轴中心的对称性。
3.根据权利要求2所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤SS1中，所述预设转速范围包含转子系统启动至最高工作转速的整个转速区间以及所有可能的共振转速区间；所述初始支承刚度根据经验或类似转子系统的设计参数进行初步设定；且在建立FEM模型时，将三支点支承细长中心拉杆转子的结构简化为三支点支承，三个支点按进气边到排气边依次标记为支点Ⅰ、支点Ⅱ和支点Ⅲ，其中支点Ⅰ、支点Ⅲ为弹性支承，支点Ⅱ为主承力刚性支承，并假定支点Ⅰ、支点Ⅲ的支承刚度均为107N/m量级，
4.根据权利要求1所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤SS2中，预设的转子动力学设计准则至少包括：工作范围内仅允许出现刚体振型临界转速，且刚体振型临界转速距离主要工作转速区裕度需大于20%，刚体振型转子应变能需小于25%；弯曲临界转速需大于最高工作转速，且距离最大工作转速裕度需大于20%。
5.根据权利要求4所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤SS2中，转子结构参数优化至少包括对转子轴直径、轴肩过渡半径、轴长及联轴器连接处的结构形状进行调整；支承刚度的优化包括调整各个支点的刚度系数，同时对支点的弹性支承刚度在初始假设值基础上进行上下20%的线性迭代；在满足转子动力学设计准则的前提下，选择结构简单、加工精度高的设计方案。
6.根据权利要求1所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤SS3中，应变能密度等级的划分方法为：将转子应变能密度由零至最大划分为10个等级，应变能密度最小的为第1等级，应变能密度最大的为第10等级，定义第8~10等级为高应变能密度区域，第1~3等级为低应变能密度区域。
7.根据权利要求1所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤SS5中，如果刚性套齿联轴器位于主承力刚性支点附近，则移动联轴器位置尽可能接近主承力支点，以充分利用主承力刚性支点的高刚度特性对联轴器起到进一步刚性加强的作用，同时减小联轴器传递的弯矩和剪力。
8.根据权利要求1所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤SS5中，转子等效应力等级的划分方法为：将满足静强度要求的转子等效应力由零至最大划分为10个等级，应力最低的为第1等级，应力最大的为第10等级，并定义第1至第2等级为低应力区域，用于判断联轴器位置的应力状态是否合适；低应力均匀变形定义为：满足套齿联轴器结构功能及装配条件，处于低应力区域，定位止口全长度范围静变形均匀，能够实现至少1/2定位长度定位可靠。
9.一种基于上述权利要求1~8任一项所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法得到的发动机拉杆式刚性套齿联轴器。
10.一种航空发动机或燃气轮机，其特征在于，包含权利要求9所述的发动机拉杆式刚性套齿联轴器。
...【技术特征摘要】
1.一种发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，所述设计方法在实施时至少包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤ss1中，fem模型的建立包括对转子轴几何特征的简化处理以及对刚性套齿联轴器的参数化约束设置，其中：转子轴的几何特征至少包括轴径、轴长和关键截面位置，刚性套齿联轴器的参数化约束至少包括刚性连接假设条件、套齿结合面的对齐精度及联轴器几何中心对转子轴中心的对称性。
3.根据权利要求2所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤ss1中，所述预设转速范围包含转子系统启动至最高工作转速的整个转速区间以及所有可能的共振转速区间；所述初始支承刚度根据经验或类似转子系统的设计参数进行初步设定；且在建立fem模型时，将三支点支承细长中心拉杆转子的结构简化为三支点支承，三个支点按进气边到排气边依次标记为支点ⅰ、支点ⅱ和支点ⅲ，其中支点ⅰ、支点ⅲ为弹性支承，支点ⅱ为主承力刚性支承，并假定支点ⅰ、支点ⅲ的支承刚度均为107n/m量级，支点ⅱ的支承刚度为108n/m量级。
4.根据权利要求1所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤ss2中，预设的转子动力学设计准则至少包括：工作范围内仅允许出现刚体振型临界转速，且刚体振型临界转速距离主要工作转速区裕度需大于20%，刚体振型转子应变能需小于25%；弯曲临界转速需大于最高工作转速，且距离最大工作转速裕度需大于20%。
5.根据权利要求4所述的发动机拉杆式转子刚性套齿联轴器连接刚度稳健性设计方法，其特征在于，上述步骤ss2中，转子结构参数优化至少包括对转子轴直径、轴肩过渡半径、轴长...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯引利，龚建波，刘棣，蒋文婷，杨光伟，杨钟雨，施懿航，耿粒伦，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。