[发明专利]预测转子超转破裂转速及破裂模式的方法及转子构型方法

说明书

本发明公开了一种预测转子超转破裂转速及破裂模式的方法及转子构型方法，预测转子超转破裂转速及破裂模式的方法包括以下步骤：S1、建立转子的二维轴对称有限元模型及轮盘鼓筒单元的三维有限元模型；S2、对二维轴对称有限元模型进行静力学参数设置和计算分析，获得不同轮盘鼓筒单元的三维有限元模型的稳态的初始应力场和初始位移场；S3、将获得的初始应力场和初始位移场导入对应的轮盘鼓筒单元的三维有限元模型中进行初始工况仿真，获得对应的轮盘鼓筒单元的初始应力状态和位移状态；S4、向步骤S3获得的三维有限元模型中施加随时间变化的转速谱，设置动力学参数，计算后进行数据后处理，获得对应轮盘的破裂转速及对应的破裂模式。

技术领域

本发明涉及一种预测转子超转破裂转速及破裂模式的方法及转子构型方法。

背景技术

航空发动机及燃气轮机的涡轮、压气机、风扇和涡轮增压器转子必须具有足够的强度以便能承受相应的超转及破裂转速，适航条款CCAR-33-R2对航空发动机转子的超转及破裂安全性提出了明确且清晰的要求，是航空发动机适航取证必须满足的强度要求。航空史中已发生很多起因转子超转破裂引起机匣包容失效等进而导致重大人员伤亡的航空事故，因此在设计及试验验证阶段准确预测转子的超转破裂转速及破裂模式就显得尤为重要。其中，转子是指由轴承支撑的旋转体，包括轮盘和鼓筒；超转破裂转速指转子的转速超过最高转速直至轮盘破裂时对应的转速；破裂模式指轮盘破裂的方式，包括径向破裂和周向破裂两种。

现有超转破裂转速计算方法一般为对简化的二维有限元转子模型或者简化的单盘三维有限元模型进行静力学分析，然后基于平均应力法得到结果。实践中发现采用现有静力学计算方法，破裂转速的数值严重依赖于修正系数的选取，难以准确预测破裂转速，更无法获得破裂模式，这给转子部件、核心机及整机试验造成不利影响，给后续航空发动机或燃气轮机产品的服役带来一定的风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中转子的超转破裂转速计算方法无法准确预测破裂转速且无法获得破裂模式的缺陷，提供一种预测转子超转破裂转速及破裂模式的方法及转子构型方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供了一种预测转子超转破裂转速及破裂模式的方法，所述转子包括多个轮盘和鼓筒，所述鼓筒的两端分别连接于相邻两个所述轮盘，所述方法包括以下步骤：

S1、建立所述转子的二维轴对称有限元模型及轮盘鼓筒单元的三维有限元模型，其中，每个所述轮盘鼓筒单元包括一个轮盘和与所述轮盘连接的鼓筒的其中一半的部分；

S2、对所述转子的二维轴对称有限元模型进行静力学参数设置和计算分析，获得所述转子中不同所述轮盘鼓筒单元的三维有限元模型的稳态的初始应力场和初始位移场；

S3、将步骤S2中获得的各个所述轮盘鼓筒单元的初始应力场和初始位移场导入步骤S1中建立的对应的所述轮盘鼓筒单元的三维有限元模型中，进行初始工况仿真，获得对应的所述轮盘鼓筒单元的初始应力状态和位移状态；

S4、向步骤S3获得的所述轮盘鼓筒单元的三维有限元模型中施加随时间变化的转速谱，设置动力学参数，计算后进行数据后处理，获得对应轮盘的破裂转速及对应的破裂模式。

在本方案中，通过上述方法克服了现有技术对因模型简化带来的计算风险，提高了转子超转破裂转速的预测精度，为航空发动机及燃气轮机转子的超转破裂设计提供更准确的依据和指导，为适航取证提供有力的支撑。

较佳地，在步骤S1中，所述转子的二维轴对称有限元模型通过将转子的轴对称部分采用轴对称单元进行网格离散，其中少量的非轴对称结构如孔及螺栓采用带厚度的平面应力单元进行离散，转子叶片通过等效质量单元离散以考虑转子叶片所施加给所述转子的离心力。

在本方案中，采用上述方法建模可以得到较为准确的模型，从而得到较为准确的轮盘鼓筒单元的三维有限元模型的初始应力场和初始位移场，进而获得更加准确的轮盘的破裂转速及破裂模式。