一种转子动力特性等效设计方法
【专利摘要】本发明涉及航空发动机模拟转子动力特性等效设计的技术领域，更具体地，涉及一种转子动力特性等效设计方法。一种转子动力特性等效设计方法，包括以下步骤：S1. 取消转子轮盘上的叶片，代之以外环凸台，同时截去部分盘体内环；S2. 二者结合以平衡叶片的动力学参数，并构造相应的等效设计平衡方程；S3. 使用数值计算方法用于平衡计算。本发明结合转子不同叶片盘的结构特点，将转子动力特性等效设计流程化、参数化，使设计过程清晰、明确，降低设计对经验的依赖，极大地提高设计效率。本发明已应用于某十余级转子的核心机模拟转子等效设计，仿真计算表明，真实转子与模拟转子的动力特性各参数误差小于5%。
【专利说明】
一种转子动力特性等效设计方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及航空发动机模拟转子动力特性等效设计的技术领域，更具体地，涉及 一种转子动力特性等效设计方法。
【背景技术】
[0002] 所有的转子设计都要经历理论计算与实验验证的反复论证，而采用真实转子来验 证转子动力特性，所耗费的加工、实验成本较高，因此通常采用与真实转子动力特性等效、 且成本较低的模拟转子来进行验证实验。这种转子动力特性等效设计，需保证转子零件刚 性、质量、质心、转动惯量等参数一致。常规的等效设计方法是:取消转子叶片等难以加工的 结构，在盘体外环增加凸台，然后通过打孔等去除材料的方法试凑质量、质心、转动惯量等 参数的等效。试凑法简单，易于执行，但同时匹配这些参数困难较大，对经验依赖度高，其在 精度控制、设计效率等方面均存在一定的局限性。
[0003] 试凑法简单，易于执行，但同时匹配质量、质心、转动惯量数困难较大；在精度控 制、设计效率等方面均存在一定的局限性，制约了其在多级转子等效设计中的应用。
【发明内容】
[0004] 本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种转子动力特性等效设 计方法，将转子叶片的质量、质心、转动惯量匹配到模拟转子中，保证模拟转子动力特性与 原转子等效，提高等效设计精度及设计效率，解决当前等效设计手段的局限性。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种转子动力特性等效设计方 法，其中，包括以下步骤：
[0006] S1.取消转子轮盘上的叶片，代之以外环凸台，同时截去部分盘体内环；
[0007] S2.二者结合以平衡叶片的动力学参数，并构造相应的等效设计平衡方程；
[0008] S3.使用数值计算方法用于平衡计算。
[0009] 本发明中，以质量、质心、转动惯量计算理论为基础，结合叶片盘结构特点，经相应 的结构处理后构造等效计算平衡方程，应用数值解法获得等效解。
[0010] 具体的，转子叶片盘主要有两种结构型式。
[0011] 整体式叶片盘，方案一，所述的步骤S1、S2中，先从叶根切除叶片，然后增加外环凸 台，同时截去部分内环;增加的外环凸台与截去的内环共同用于平衡叶片的动力学参数。
[0012] 榫槽式叶片盘，方案二，所述的步骤S1、S2中，先去除叶片、填平榫槽、然后增加外 环凸台，同时截去部分内环，三者结合以平衡叶片的动力学参数。
[0013] 所述的步骤S3中，
[0014] 质量、质心、转动惯量;各参数计算依据理论力学，假定以X轴为旋转轴的计算见公 式(1)、（2)、（3);公式中各参数的意义是 :111质量、1质心、1\。转动惯量^密度、(^体积分；
[0018] e是质心控制参量，a、d确定该环形凸台的质量及转动惯量;直线yl是轮盘外环截 面轮廓线，直线y2由d确定;增加的外环凸台和截去的内环按所述的公式（1)、（2)、（3)分别 计算质量、质心、转动惯量，所得结果与原始叶片参数相减获得平衡方程，控制a、d、e参数可 以获得方程较高精度的逼近解。
[0019] 与现有技术相比，有益效果是:本发明结合转子不同叶片盘的结构特点，将转子动 力特性等效设计流程化、参数化，使设计过程清晰、明确，降低设计对经验的依赖，极大地提 高设计效率。本发明已应用于某十余级转子的核心机模拟转子等效设计，仿真计算表明，真 实转子与模拟转子的动力特性各参数误差小于5%。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明方案一处理前结构示意图。
[0021 ]图2是本发明方案一处理后结构示意图。
[0022]图3是本发明方案二处理前结构示意图。
[0023]图4是本发明方案二处理后结构示意图。
[0024]图5是本发明计算轴线示意图。
[0025]图6是本发明计算流程示意图。
[0026]图7是本发明叶片盘外环处理结构示意图。
[0027]图8是本发明迭代法流程示意图。
【具体实施方式】
[0028]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本实施例，附 图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸;对于本领域技术人员来说， 附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性 说明，不能理解为对本专利的限制。
[0029] 一种转子动力特性等效设计方法，其中，包括以下步骤：
[0030] S1.取消转子轮盘上的叶片，代之以外环凸台，同时截去部分盘体内环；
[0031] S2.二者结合以平衡叶片的动力学参数，并构造相应的等效设计平衡方程；
[0032] S3.使用数值计算方法用于平衡计算。
[0033]本发明涉及的转子动力学参数包括:质量、质心、转动惯量。各参数计算依据理论 力学，假定以X轴为旋转轴的计算见公式（1)、（2)、（3)。公式中各参数的意义是:111质量、1质 心、I x。转动惯量、P密度、dv体积分。
[0037] 具体的，转子叶片盘主要有两种结构型式。
[0038] 如图1、2所示，整体式叶片盘，见图1、2中方案一:先从叶根切除叶片1，然后增加外 环凸台2,同时在3处截去部分内环。增加的外环凸台与截去的内环共同用于平衡叶片的动 力学参数。
[0039] 如图3、4所示，榫槽式叶片盘，见图3、4中方案二:先去除叶片、填平榫槽、然后增加 外环凸台4,同时在5处截去部分内环，三者结合以平衡叶片的动力学参数。
[0040] 如图5、6所示，e是质心控制参量，a、d确定该环形凸台的质量及转动惯量;直线yl 是轮盘外环截面轮廓线，直线72由(1确定。增加的外环凸台和截去的内环按上文所述的公式 (1)、（2)、（3)分别计算质量、质心、转动惯量，所得结果与原始叶片参数相减获得平衡方程， 控制a、d、e参数可以获得方程较高精度的逼近解。
[0041] 如图7所示，根切叶片后外环截线通常如图7中1所示曲线。为了获得如图5中yl那 样简单的形式，必须对处环进行处理，如图7中3所示:填平凹处，截去凸处，最终形成图7中2 所示的直线。带榫槽轮盘直接获得yl。
[0042]如图8所示，根据上述方法获得的等效平衡方程难以获得解析解，需要数值解法。 数值解法不唯一，如下所示的是迭代法流程，下面对该方法作一简要说明。先对未知参数a， d，e设定迭代步长ao，do，eo，代入平衡方程，判断方程的结果是否满足逼近精度要求，满足则 输出a，d，e，不满足则循环增加各参数步长，直至获得理想解。
[0043]本实施例中，以此实现模拟转子与真实转子的动力特性等效，以较低的制造、实验 成本验证真实转子的动力特性。
[0044]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对 本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种转子动力特性等效设计方法，其特征在于，包括W下步骤：51. 取消转子轮盘上的叶片，代之W外环凸台，同时截去部分盘体内环；52. 二者结合W平衡叶片的动力学参数，并构造相应的等效设计平衡方程；53. 使用数值计算方法用于平衡计算。2. 根据权利要求1所述的一种转子动力特性等效设计方法，其特征在于:转子叶片盘包 括有两种结构型式，整体式叶片盘或禅槽式叶片盘。3. 根据权利要求2所述的一种转子动力特性等效设计方法，其特征在于:所述的转子叶 片盘为整体式叶片盘，步骤S1、S2中，先从叶根切除叶片，然后增加外环凸台，同时截去部分 内环;增加的外环凸台与截去的内环共同用于平衡叶片的动力学参数。4. 根据权利要求2所述的一种转子动力特性等效设计方法，其特征在于:所述的转子叶 片盘为禅槽式叶片盘，步骤S1、S2中，先去除叶片、填平禅槽、然后增加外环凸台，同时截去 部分内环，Ξ者结合W平衡叶片的动力学参数。5. 根据权利要求1所述的一种转子动力特性等效设计方法，其特征在于:所述的步骤S3 中， 质量、质屯、、转动惯量；各参数计算依据理论力学，假定Wx轴为旋转轴的计算见公式 (1)、（2)、（3);公式中各参数的意义是:111质量、^。质屯、、1、。转动惯量、0密度、(^体积分；e是质屯、控制参量，a、d确定该环形凸台的质量及转动惯量;直线yl是轮盘外环截面轮 廓线，直线y2由加角定;增加的外环凸台和截去的内环按所述的公式（1)、（2)、（3)分别计算 质量、质屯、、转动惯量，所得结果与原始叶片参数相减获得平衡方程，控制a、d、e参数可W获 得方程较高精度的逼近解。6. 根据权利要求5所述的一种转子动力特性等效设计方法，其特征在于:通过迭代法获 得理想解:先对未知参数a，d，e设定迭代步长ao，do，eo，代入平衡方程，判断方程的结果是否 满足逼近精度要求，满足则输出a，d，e，不满足则循环增加各参数步长，直至获得理想解。
【文档编号】G06F17/50GK106096103SQ201610387367
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月2日 公开号201610387367.2, CN 106096103 A, CN 106096103A, CN 201610387367, CN-A-106096103, CN106096103 A, CN106096103A, CN201610387367, CN201610387367.2
【发明人】吕顺日, 陈路, 朱莹, 甘锦誉, 晁爱芳, 贺飞
【申请人】中国航空动力机械研究所