一种燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法，其具体步骤如下：(1)测量拉杆转子的材料参数，包括弹性模量、接触面宽度、拉杆截面积、长度、转动惯量等；(2)根据拉杆转子预紧力，求得拉杆转子接触界面弯矩与转角；(3)依照本发明专利技术的方法，分别求得拉杆预紧力产生的弯曲刚度与拉杆转子轮盘的接触刚度；(4)依照预紧力大小，对拉杆转子轮盘的接触刚度进行修正；(5)将修正后的轮盘的接触刚度与预紧力产生的弯曲刚度叠加，即可得拉杆转子接触界面弯曲刚度。本发明专利技术对拉杆转子弯曲刚度进行了分析，对拉杆转子动力学建模奠定了基础，经有限元仿真验证，本发明专利技术方法较为精准，有较高的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法
本专利技术属于燃气轮机拉杆转子动力学建模
，尤其是涉及一种燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法。
技术介绍
拉杆转子是燃气轮机的核心部件，广泛应用于航空发动机及重型燃气轮机中。不同于连续型转子，拉杆转子在结构上不是一个连续的整体，采用针对连续转子的建模方法分析拉杆转子得到的结果与实验结果有较大差异。造成这种较大差异的主要原因是燃气轮机拉杆转子存在较多接触界面，现有采用整体建模的计算方式忽略了这一重要特征。因此，建立拉杆转子接触界面的力学模型，并分析预紧力对接触界面弯曲刚度的影响，对燃气轮机拉杆转子的动力学建模有着重大意义。现阶段针对燃气轮机拉杆转子弯曲刚度的计算方法，主要基于接触力学中的G-W模型，计算过程中需要接触界面粗糙表面微凸体的概率分布函数。这一分布函数通常难以获得，且该分布函数会随着预紧力的变化而发生变化。因此，采用该方法分析弯曲刚度，准确度不高。有学者曾通过研究刚度矩阵，提出拉杆转子接触界面弯曲刚度的修正方法，该修正方法需要拉杆转子在实际工作中的最大位移挠度，而工程应用中，通常是先计算刚度，再分析转子的最大位移挠度，因而该方法在工程中的实际应用价值有限。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出一种燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法，通过拉杆转子承受的预紧力及拉杆转子接触界面的几何参数，计算拉杆转子接触界面的弯曲刚度，为后续的拉杆转子动力学建模奠定基础。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法，所述拉杆转子包括拉杆转子轮盘和多个周向分布的单根拉杆，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：SS1.根据拉杆转子轮盘所承受的预紧力T1，计算轮盘间接触界面的反力矩M；SS2.根据拉杆转子轮盘所承受的预紧力T，以及步骤SS1所得到的轮盘间接触界面的反力矩M，计算拉杆转子轮盘由预紧力和接触界面反力矩共同作用所产生的转角θ；SS3.根据步骤SS1所得到的轮盘间接触界面的反力矩M，以及步骤SS2所得到的拉杆转子轮盘由预紧力和接触界面反力矩共同作用所产生的转角θ，计算拉杆转子轮盘的接触刚度Kra；SS4.根据拉杆转子所采用的材料，获得其弹性模量E，并分别获得拉杆的截面积A、拉杆的长度L及拉杆的转动惯量I；SS5.根据步骤SS4所得到的各材料参数，计算拉杆转子在不承受预紧力的情况下，单根拉杆的拉伸刚度Krb1、单根拉杆的弯曲刚度Krb2；SS6.根据拉杆所承受的预紧力T，以及拉杆圆心到转子轴线的半径rp，分别对步骤SS5所得到的单根拉杆的拉伸刚度Krb1、单根拉杆的弯曲刚度Krb2进行修正，得到修正后的单根拉杆的拉伸刚度K′rb1、单根拉杆的弯曲刚度K′rb2；SS7.根据步骤SS6所得到的修正后的单根拉杆的拉伸刚度K′rb1、单根拉杆的弯曲刚度K′rb2，以及拉杆的个数N，计算拉杆在承受预紧力时整圈拉杆的弯曲刚度Krb；SS8.根据步骤SS3所得到的拉杆转子轮盘的接触刚度Kra，以及步骤SS7所得到的拉杆在承受预紧力时整圈拉杆的弯曲刚度Krb，得到拉杆转子接触界面的弯曲刚度Kr，其中，Kr＝Kra+Krb。优选地，步骤SS1中，轮盘间接触界面的反力矩M，其计算式为M＝nTL。(其中T为轮盘预紧力，n为轮盘级数，L为单级轮盘的宽度)。优选地，步骤SS2中，拉杆转子轮盘由预紧力和接触界面反力矩共同作用所产生的转角θ，由理论力学与材料力学理论的基本概念求得(θ＝X/R，其中R为轮盘最大半径，X为轮盘最大变形量)。优选地，步骤SS3中，拉杆转子轮盘的接触刚度Kra，其计算式为优选地，步骤SS5中，单根拉杆的拉伸刚度Krb1、单根拉杆的弯曲刚度Krb2，其计算式分别为：优选地，步骤SS6中，单根拉杆的拉伸刚度Krb1、单根拉杆的弯曲刚度Krb2，其修正系数ηb1、ηb2分别为修正后的单根拉杆的拉伸刚度K′rb1、单根拉杆的弯曲刚度K′rb2分别为K′rb1＝ηb1Krb1，K′rb2＝ηb2Krb2。优选地，步骤SS7中，拉杆在承受预紧力时整圈拉杆的弯曲刚度Krb，其计算式为进一步地，步骤SS7中，当拉杆个数N满足N≥3时，拉杆在承受预紧力时整圈拉杆的弯曲刚度Krb，其计算式可简化为本专利技术的燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法，其思路是：将拉杆转子接触界面的弯曲刚度Kr，等效为拉杆在承受预紧力时整圈拉杆的弯曲刚度Krb与拉杆转子轮盘的接触刚度Kra之和。具体计算方法如下：由材料力学的基本理论可知，拉杆转子轮盘受到预紧力作用，其接触刚度为式中M为轮盘间接触界面的反力矩，θ为轮盘因预紧力和接触界面反力矩共同作用产生的转角，θ＝X/R，其中R为轮盘最大半径，X为轮盘最大变形量。对周向拉杆，在拉杆转子不承受预紧力的情况下，拉杆弯曲刚度可以表示为式中：Krb1为单根拉杆的拉伸刚度，Krb2为单根拉杆的弯曲刚度，rp为拉杆圆心到转子轴线半径，N为拉杆个数。当N≥3时上式可以简写成其中其中，E为材料的弹性模量，A为拉杆截面积，L为拉杆长度，I为拉杆转动惯量。由于拉杆预紧力变化范围较大，需要考虑预紧力变化对拉杆弯曲刚度造成的影响。通过比较相同约束和载荷下有无预紧力的拉杆刚度，可以得到预紧力对拉杆弯曲刚度的影响。单根拉杆在受拉状态下预紧力对拉伸刚度的修正系数可以表示为式中T为预紧力大小，L为拉杆长度。拉杆横截面积越大，分布节圆半径越大，数目越多，则周向拉杆弯曲刚度越大。定义预紧力对单根拉杆的弯曲刚度修正系数为最终拉杆转子系统接触界面的弯曲刚度Kr＝Kra+Krb。同现有技术相比，本专利技术的燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法，其有益效果为：通过拉杆转子接触界面的几何参数和拉杆承受的预紧力，即可快速求得拉杆转子接触界面的弯曲刚度，此外，本专利技术对拉杆转子弯曲刚度进行了分析，对拉杆转子动力学建模奠定了基础，经有限元仿真验证，本专利技术方法较为精准，有较高的工程应用价值。附图说明图1为本专利技术的燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度计算方法流程图；图2为本专利技术所针对的拉杆转子结构二维模型示意图；图3为本专利技术所针对的拉杆转子结构不同预紧力下的弯曲刚度；图4为本专利技术所针对的拉杆转子结构不同预紧力下的临界转速；图5为本专利技术所针对的拉杆转子结构预紧力为5KN的坎贝尔图；图6为本专利技术所针对的拉杆转子结构预紧力为50KN的坎贝尔图；图7为本专利技术所针对的拉杆转子结构预紧力为500KN的坎贝尔图。具体实施方式为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法，所述拉杆转子包括拉杆转子轮盘和多个周向分布的单根拉杆，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：/nSS1.根据拉杆转子轮盘所承受的预紧力T

【技术特征摘要】
1.一种燃气轮机拉杆转子接触界面弯曲刚度的计算方法，所述拉杆转子包括拉杆转子轮盘和多个周向分布的单根拉杆，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：
SS1.根据拉杆转子轮盘所承受的预紧力T1，计算轮盘间接触界面的反力矩M；
SS2.根据拉杆转子轮盘所承受的预紧力T，以及步骤SS1所得到的轮盘间接触界面的反力矩M，计算拉杆转子轮盘由预紧力和接触界面反力矩共同作用所产生的转角θ；
SS3.根据步骤SS1所得到的轮盘间接触界面的反力矩M，以及步骤SS2所得到的拉杆转子轮盘由预紧力和接触界面反力矩共同作用所产生的转角θ，计算拉杆转子轮盘的接触刚度Kra；
SS4.根据拉杆转子所采用的材料，获得其弹性模量E，并分别获得拉杆的截面积A、拉杆的长度L及拉杆的转动惯量I；
SS5.根据步骤SS4所得到的各材料参数，计算拉杆转子在不承受预紧力的情况下，单根拉杆的拉伸刚度Krb1、单根拉杆的弯曲刚度Krb2；
SS6.根据拉杆所承受的预紧力T，以及拉杆圆心到转子轴线的半径rp，分别对步骤SS5所得到的单根拉杆的拉伸刚度Krb1、单根拉杆的弯曲刚度Krb2进行修正，得到修正后的单根拉杆的拉伸刚度K′rb1、单根拉杆的弯曲刚度K′rb2；
SS7.根据步骤SS6所得到的修正后的单根拉杆的拉伸刚度K′rb1、单根拉杆的弯曲刚度K′rb2，以及拉杆的个数N，计算拉杆在承受预紧力时整圈拉杆的弯曲刚度Krb；
SS8.根据步骤SS3所得到的拉杆转子轮盘的接触刚度Kra，以及步骤SS7所得到的拉杆在承受预紧力时整圈拉杆的弯曲刚度Kr...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳琦，张帆，冯引利，郭宝亭，高金海，蒋文婷，孙涛，莫古云，
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：北京;11