带端面齿的燃气轮机拉杆转子高速动平衡能力优化设计方法与流程

：本发明涉及燃气轮机技术领域，特别涉及带端面齿的燃气轮机拉杆转子高速动平衡能力优化设计方法。

背景技术：
：重型燃气轮机拉杆转子是一种典型的组合式转子，由一根中心拉杆或者多根周向拉杆穿过各级轮盘，通过对拉杆施加预紧力并把紧两端轴头的拉杆螺栓，将轮盘压紧以将组合转子结合为一体。由于这种结构的转子重量轻、易于装配且具有良好的冷却效果，在燃气轮机轮机和航空发动机中得到了广泛应用。燃气轮机轮盘制造过程中机械加工不精确，使得转子上存在不平衡量，在高转速下，产生很大的不平衡激振力，引起机组振动。对于端面齿连接的燃气轮机转子结构，通过调整端面齿安装角度，可以提高转子高速动平衡的效率。

技术实现要素：
：本发明的目的在于提供一种带端面齿的燃气轮机拉杆转子高速动平衡能力优化设计方法，该方法给出轮盘径向圆跳动与转子不平衡量间的关系，为转子的不平衡量确定提供参考。并根据两者的关系，优化各级轮盘安装角度，将不平衡量产生的不平衡离心力和不平衡力矩降至最小，进而降低转子轴承处振动响应幅值，达到降低转子振动的目的。为达到上述目的，本发明采取如下技术方案来实现的：带端面齿的燃气轮机拉杆转子高速动平衡能力优化设计方法，包括以下步骤：1)根据燃气轮机拉杆转子前轴头、后轴头和各级轮盘的径向圆跳动度e，确定整个转子不同部件不平衡量的初始大小和相位分布；2)根据不平衡量的初始大小和相位分布，确定待优化的不平衡离心力和各不平衡离心力到转子中点处的弯矩为目标函数；3)根据目标函数编制遗传算法优化程序，采用遗传算法求出目标函数的最小值及其对应的轮盘端面齿安装角度；4)通过对比初始安装角度和优化安装角度下转子的不平衡响应，优化后压气机端轴承处轴振振幅一阶响应峰值下降幅度大于95％，透平端轴承处轴振幅值一阶响应峰值下降幅度大于95％；优化后压气机端轴承处轴振振幅二阶响应峰值下降幅度大于95％，透平端轴承处轴振幅值二阶响应峰值下降幅度大于80％，确定遗传算法对燃气轮机转子高速动平衡的有效性。本发明进一步的改进在于，所述燃气轮机拉杆转子带有端面齿结构，相邻轮盘间通过端面齿连接，端面齿连接结构用于调整轮盘安装角度。本发明进一步的改进在于，步骤1)中，径向圆跳动度e和不平衡量之间的关系为：其中，q为不平衡量，e为径向圆跳动度，m为该级轮盘质量。本发明进一步的改进在于，步骤2)中，优化目标函数为：不平衡离心力和不平衡力弯矩的矢量和表示为：其中，q(i)表示各级轮盘的不平衡量/g·mm；α(i)表示不平衡量相位/°，为遗传算法中的可变量，即对应的轮盘安装角度；k表示轮盘级数；ω为转子转速/r·min-1；L(i)表示各级轮盘不平衡量到转子中点处位置的距离/mm；i取值范围为1～25；Fx为x方向不平衡离心力/N；Fy为y方向不平衡离心力/N；F为总不平衡离心力/N；Mx为x方向不平衡力弯矩/N·m；My为y方向不平衡力弯矩/N·m；M为总不平衡力弯矩/N·m。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明给出了带有端面齿结构的燃气轮机拉杆转子动平衡能力优化设计方法，该方法通过调整轮盘端面齿安装角度对带有端面齿结构的转子动平衡能力优化提供一种方法。通过该优化方法，优化前后压气机端轴承处轴振振幅一阶响应峰值下降幅度大于95％，透平端轴承处轴振幅值一阶响应峰值下降幅度大于95％；优化前后压气机端轴承处轴振振幅二阶响应峰值下降幅度大于95％，透平端轴承处轴振幅值二阶响应峰值下降幅度大于80％，因此该方法能够有效提高厂方进行转子动平衡的能力。该方法适用于航天、电力等相关行业带有端面齿结构的转子部件，具有广泛的工程应用前景。附图说明：图1是某中心拉杆燃气轮机转子典型结构示意图，图中给出了转子端面齿和中心拉杆结构。图2是燃气轮机轮盘不平衡量示意图。图3是燃气轮机转子各部位径向跳动示意图。图中共给出25个径向跳动位置，其中S1，S2，S3为前后轴头位置径向跳动度，C21，C2……C15为压气机轮盘径向跳动度，N1，N2，N3为中间轴径向跳动度，T1，T2，T3，T4为透平轮盘径向跳动度。图4是燃气轮机转子不平衡弯矩产生示意图。图5是燃气轮机拉杆转子不平衡相位优化前后压气机端轴承处轴振振幅。图6是燃气轮机拉杆转子不平衡相位优化前后透平端轴承处轴振振幅。图7是燃气轮机拉杆转子不平衡相位优化后轴承处轴振振幅。图8是端面齿的结构示意图。具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。图1为某燃机中心拉杆转子典型结构示意图，转子各级轮盘依靠端面齿传扭，采用中心拉杆施加预紧力。参见图2至图8，本发明带有端面齿结构的燃气轮机拉杆转子动平衡能力优化设计方法，包括以下步骤：1)燃气轮机转子所受不平衡量的确定。为得到整个转子各部件不平衡量的数据，根据厂方提供的燃气轮机转子前后轴头、各级轮盘的径向圆跳动度得到各部件的偏心距和不平衡相位。其中偏心距δ和径向圆跳动度e的关系为；根据偏心距和不平衡相位的结果，确定整个转子初始不平衡量的分布，整个转子各部件共有25处需要添加不平衡量的位置，不平衡量和偏心距之间的关系为：q＝mδ，进而得到不平衡量和径向跳动度之间的关系为：确定转子各部件不平衡量，其中，q为不平衡量，e为径向圆跳动度，m为该级轮盘质量。图2给出了轮盘不平衡量的示意图，其在x方向和y方向产生不平衡量分量。图3给出了整个转子不平衡量的分布，共有25处不平衡量施加在转子各位置处。2)燃气轮机转子不平衡离心力和不平衡力弯矩优化目标函数的确定。不平衡量在x方向和y方向的不平衡量分量会产生相应方向的不平衡离心力Fx，Fy和不平衡力弯矩Mx，My，图4给出不平衡力弯矩的产生机理。不平衡离心力和不平衡力弯矩作用使转子产生振动，根据不平衡离心力和不平衡力弯矩产生机理，确定不平衡离心力和不平衡力弯矩的的优化目标函数为：不平衡离心力和弯矩的矢量和可表示为：其中，q(i)表示各级轮盘的不平衡量/g·mm；α(i)表示不平衡量相位/°，为遗传算法中的可变量；k表示轮盘级数；L(i)表示各级轮盘不平衡量到转子中点处位置的距离/mm；ω为转子转速/r·min-1；i取值范围为1～25；Fx为x方向不平衡离心力/N；Fy为y方向不平衡离心力/N；F为总不平衡离心力/N；Mx为x方向不平衡力弯矩/N·m；My为y方向不平衡力弯矩/N·m；M为总不平衡力弯矩/N·m。3)不平衡离心力和弯矩的最小值及其对应的轮盘安装角的确定。根据不平衡离心力和不平衡力弯矩优化目标函数，编制遗传算法优化程序，其中α(i)为优化算法中的可变量。通过调整各级轮盘的安装角，确定目标函数的最小值，即不平衡离心力和弯矩的最小值，其对应的安装角度即为需要的安装角。需要特别指出，对于端面齿连接的特殊结构，由于轮盘端面齿整圈共有180个齿，因此对计算得出的安装角取整并保证相邻轮盘的安装角度差为偶数。4)对比初始安装角度和优化安装角度下转子的不平衡响应。为验证优化轮盘安装角度的可靠性，采用转子不平衡响应计算方法对优化前后不平衡响应幅值进行对比，优化后转子的不平衡响应幅值降低，转子在轴承处的轴振幅值小于动平衡时所允许的最大幅值。优化后安装角进行不平衡响应计算并与优化前的不平衡响应计算结果对比。优化前后压气机端轴承处轴振振幅如图5所示，优化后的一阶响应峰值从482μm下降至0.802μm，下降幅度大于95％；二阶响应峰值从优化前的60.90μm下降至2.91μm，下降幅度大于95％。优化前、后透平端轴承处轴振幅值如图6所示，优化后一阶响应峰值从521μm下降至0.843μm，下降幅度大于95％；二阶响应峰值从优化前的9.48μm下降至1.88μm。下降幅度大于80％。优化后的压气机端和透平端轴承处轴振振幅如图7所示，优化后一阶响应峰值下降，透平端和压气机端的轴振振幅均小于1μm；优化后的二阶响应峰值较优化前下降，透平端和压气机端的轴振振幅均小于3μm；工作转速为3000r/min时，透平端和压气机端的轴振振幅均小于2.3μm。表1燃气轮机转子优化前后不平衡响应轴振单振幅计算结果对比分析