基于应变能法的重型燃机拉杆转子模型等效约化处理方法与流程

技术领域：

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种基于应变能法的重型燃气轮机拉杆转子模型等效约化处理方法。

背景技术：
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重型燃气轮机被誉为制造业王冠上的明珠。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中，将“重型燃气轮机”和“高参数超超临界机组”列为优先发展主题。燃气轮机在航空、舰船、发电等领域被广泛应用，在国防战略、电力能源方面占据极其重要地位。近年来，我国通过“打捆招标”方式，引进了一些国外机组，“打捆招标”只是引进了国外燃气轮机的冷部件制造技术，国外厂商不提供核心关键设计技术，如转子复杂模型建立与处理方法、动力学分析参数等，缺乏对重型燃机建模及动力学设计的基础理论方法、软件和设计经验，在相关方面没有形成核心设计技术，仅依靠引进国外图纸使机组运行中存在许多问题。目前，大功率重型燃气轮机市场基本被国外机组占据，在重型燃气轮机核心技术尤其是模型处理和动力学分析参数部分，国内暂不具备真正意义下的自主知识产权。

对于重型燃气轮机轴系动力学设计问题的研究，存在着三个方面的难题：一是重型燃气轮机拉杆转子-转子系统动力学建模问题。目前燃气轮机大部分为拉杆转子结构，其轴系结构极其复杂，无法快速有效的得到燃机转子模型分析的关键参数；二是这类高维复杂动力学系统的求解理论和分析方法尚不成熟，轴系结构的复杂不仅给建模带来困难，也给模型的求解带来困难，高维的微分方程组求解消耗大量的计算资源和时间；三是我国缺少自主知识产权的专用转子动力学设计及分析软件，目前商用有限元软件的转子动力学模块无法深层次全面的处理燃气轮机转子动力学的一些复杂问题，以上三方面的问题很大程度上限制我国燃气轮机的设计和发展。其中，燃机拉杆拉杆转子实际结构复杂，界面形状不规则，给模型的处理和动力学计算造成很大的困难，燃机转子模型的等效约化处理对于燃机的动力学分析具有重大意义。在转子系统动力学分析方面，只要等效构件、等效力和等效连接单元的相关等效参数合理，等效动力学模型的计算精度完全可以满足工程需要。此外，等效模型还可以极大地减少建模难度，极大的提高模型的计算速度，提高模型的复用能力。

目前对转子模型的处理主要是采用经验角度法进行约化处理，经验角度法处理对于简单规则截面的转子尚可使用，对于具有复杂结构的转子约化处理结果会造成较大的误差，准确率较低。

技术实现要素：
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本发明为了解决上述重型燃机拉杆转子复杂模型处理问题，提出了一种基于应变能法的重型燃气轮机拉杆转子模型等效约化处理方法。通过计算提取燃机转子的主要结构特征参数(等效弯曲刚度直径、等效质量直径、轴段长度等)，实现重型燃机转子模型的工程等效约化处理，有效的解决重型燃气轮机转子的设计和动力学计算问题。

本发明采用的技术方案为：一种基于应变能法的重型燃机拉杆转子模型等效约化处理方法，通过应变能理论，确保燃机转子模型轴段简化前后的变形应变能数值恒定，表征转子模型的等效约化参数，并编制工程等效约化处理后的模型输入文件，进行动态性能分析及求解。

进一步地，所述转子模型的等效约化参数包括轴段等效弯曲刚度直径、轴段等效质量直径和轴段长度，以描述主要简化参数，实现燃机转子轴段简化模型的建立。

进一步地，所述转子约化前后的应变能与转子的固有频率有关，保证变形前后的应变能不变，实现对转子结构进行约化。

进一步地，转子轴段的应变能通过有限元方法计算其数值，编制相应命令流分段进行提取。

进一步地，转子应变能的分段提取，其分段尺寸参数信息依据实际燃机转子的结构而定。

进一步地，所述燃机转子模型包括但不限于考虑轮盘接触效应、转子轴向温度变化因素。

进一步地，所述处理方法包括以下步骤：

步骤1、建立燃机转子的三维实体模型，若考虑燃机轮盘接触效应，将其转化为接触面接触刚度或材料层本身参数，建立考虑接触效应的燃机转子三维模型；

步骤2、对转子模型进行网格划分、属性参数赋值，通过有限元软件完成，网格划分的密度和单元类型参数根据转子模型的结构复杂程度和计算精度而定，材料赋值参数由转子材料本身参数而定；

步骤3、燃机转子横向变形应变能提取，结合燃机转子自身结构特点进行轴段划分，通过有限元软件计算各单元的应变能数值，并编制需要命令流提取各个轴段的应变能参数信息；

步骤4、等效约化参数的表征及计算，根据燃机转子等效弯曲刚度直径、等效质量直径计算公式，求解约化后模型的主要表征参数：

式中，dei为第i轴段的等效弯曲刚度直径，dmi为第i轴段的等效质量直径，m为施加的弯矩载荷，ui为第i轴段的应变能，vi为第i轴段的体积，li为第i轴段的长度；

步骤5、编制约化处理后的rdc简化模型文件，将已求得的等效弯曲刚度直径、等效质量直径、轴段长度、轴段密度、材料属性参数，编制成燃机简化模型的输入文件，为动力学分析提供模型基础；

步骤6、动力学特性分析，基于上述工程等效约化处理后的燃机转子模型，进行动力学分析，包括静态性能、临界转速、不平衡响应环节。

进一步地，所述rdc简化模型文件根据动力学分析系统的输入要求而编制。

本发明的有益效果：通过建立燃机转子三维模型、有限元计算应变能参数，求解并计算整理出转子模型等效约化处理后的参数，得到简化后的燃机转子模型，并编制简化模型的输入文件进行动态特性分析，此方法保留了转子结构的主要特征，减小了建模难度，调高了模型的复用能力。本发明的处理方法能够适用于具有复杂截面燃机转子的动力学分析，改善经验角度法等现有处理方法约化精度低、模型适用性差的特点。该处理方法得到的简化燃机转子简化动力学模型能够快速有效的对重型燃气轮机进行动力学设计和计算分析，减少计算资源和时间资源的浪费。

附图说明：

图1为实施例一重型燃气轮机拉杆转子模型等效约化处理方法流程图；

图2为实施例一重型燃气轮机三维模型；

图3为实施例一重型燃气轮机模型网格划分图；

图4为实施例一燃机转子轴段尺寸划分图；

图5实施例一转子模型等效处理后的等效弯曲刚度直径模型；

图6实施例一等效约化处理后转子力矩与轴段长度的关系；

图7实施例一等效约化处理后转子的一阶振型图；

图8实施例一等效约化处理后转子的不平衡响应分析。

具体实施方式：

实施例一

参照图1-8，一种基于应变能法的重型燃气轮机拉杆转子模型等效约化处理方法，建立燃机转子的三维实体模型，通过有限元计算转子轴段变形的应变能参数，求解并计算整理出转子模型等效约化处理后的参数，得到简化后的燃机转子模型，编制简化模型的输入文件并进行动态特性分析。

本实例的研究对象为模型重型燃气轮机拉杆转子结构，本处理方法均适用于其他燃气轮机转子的等效约化处理。

图1为本发明的模型等效约化处理方法流程图，通过应变能理论，确保燃机转子模型轴段简化前后的变形应变能数值恒定，表征转子模型的等效约化参数，并编制工程等效约化处理后的模型输入文件，进行动态性能分析及求解；转子模型的等效约化参数包括轴段等效弯曲刚度直径、轴段等效质量直径和轴段长度，以描述主要简化参数，实现燃机转子轴段简化模型的建立；转子约化前后的应变能与转子的固有频率有关，保证变形前后的应变能不变，实现对转子结构进行约化；转子轴段的应变能通过有限元方法计算其数值，编制相应命令流分段进行提取；转子应变能的分段提取，其分段尺寸参数信息依据实际燃机转子的结构而定；燃机转子模型包括但不限于考虑轮盘接触效应、转子轴向温度变化因素。本实施例具体包括以下步骤：

步骤1、建立燃机转子的三维实体模型，如图2所示，若考虑燃机轮盘接触效应，将其转化为接触面接触刚度或材料层本身参数，建立考虑接触效应的燃机转子三维模型。

步骤2、对转子模型进行网格划分、属性参数赋值，如图3所示，通过有限元软件完成，网格划分的密度和单元类型参数根据转子模型的结构复杂程度和计算精度而定，材料赋值参数由转子材料本身参数而定。

步骤3、燃机转子横向变形应变能提取，结合燃机转子自身结构特点进行轴段划分，如图4所示，通过有限元软件计算各单元的应变能数值，并编制需要命令流提取各个轴段的应变能参数信息。

步骤4、等效约化参数的表征及计算，根据燃机转子等效弯曲刚度直径、等效质量直径计算公式，求解约化后模型的主要表征参数：

式中，dei为第i轴段的等效弯曲刚度直径，dmi为第i轴段的等效质量直径，m为施加的弯矩载荷，ui为第i轴段的应变能，vi为第i轴段的体积，li为第i轴段的长度。

步骤5、编制约化处理后的rdc简化模型文件，将已求得的等效弯曲刚度直径、等效质量直径、轴段长度、轴段密度、材料属性等参数，如图5所示，编制成燃机简化模型的输入文件，为动力学分析提供模型基础。

步骤6、动力学特性分析，基于上述工程等效约化处理后的燃机转子模型，进行动力学分析，包括静态性能、临界转速、不平衡响应等环节，如图6、图7、图8所示。