CN102737146A

CN102737146A - 一种估算转子临界转速的工程方法

Info

Publication number: CN102737146A
Application number: CN2012102019554A
Authority: CN
Inventors: 陈巍; 郭宝亭
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN102737146B

Abstract

本发明公开了一种估算转子临界转速的工程方法，适用于含多层叠片阻尼器的转子，包括：1）解析转子结构，确定适合计算对象的结构简化方式；2）按照既定简化结构及传递系数法要求，划分计算结点；3）计算各结点的物理特性参数值；4）设定支承刚度值区间，在区间内进行二分法插值，计算每个刚度插值点对应的临界转速和振型；5）归纳计算结果，寻找敏感振型；6）判断计算结果是否满足精度要求，若满足要求执行下一步骤，否则在敏感刚度值点形成的刚度区间内重复执行插值、计算过程；7）根据计算结果，最终确定支承刚度、临界转速及振型。该方法操作流程清晰，计算效率高，结果准确，适合工程设计、试验中，快速找准转子临界转速。

Description

一种估算转子临界转速的工程方法

技术领域

本发明涉及一种估算转子临界转速的工程方法，该方法特别适用于含多层叠片阻尼器的转子，属于旋转机械设计与实验领域。

背景技术

旋转机械设计、实验中，需要确定转子临界转速，是评估设计、验证设计的必要内容。而现代设计中，会用到种类繁多的弹性支承元件，如：鼠笼结构、金属橡胶、电磁轴承、多层叠片等，导致径向轴承和弹性元件组成的联合支承刚度值难以准确给定。而支承刚度，是临界转速计算中，必要的已知参数。因此，在支承刚度值没有准确值点条件下，常使用近似值作为计算条件。

尤其对于含多层叠片阻尼器的转子，由于没有满意的方法计算其支承刚度，且实验测定往往成本过高，因此利用近似值进行估算，成为工程中的一种选择。另外，转子实际工作过程中，受温度、装配条件变化等随机因素的影响，弹性支承的刚度将在一定范围内变化。该刚度变化区间内，是否存在临界转速不稳定的情况，显得犹未可知。不但增加了工程中估算临界转速的难度，有时也会误导故障转子的诊断方向。

因此，一种准确度高、操作简便、流程标准、适合工程使用的临界转速预估方法将会促进设计或实验的进行。

发明内容

本发明的目的，是提供一种适合工程使用的，预估含多层叠片阻尼器转子临界转速区的方法。该方法基于敏感度的概念，利用传递系数法，对转子支承刚度区间进行二分插值，并计算每个刚度插值点对应的临界转速和振型。当出现同阶振型转变时，说明振型相对此时的刚度变化较为敏感，其对应的转速，亦处于转子临界转速区内。

为达到上述目的，本发明提供一种预估转子临界转速的工程方法，此方法通过七步来实现：

步骤一：解析转子结构，确定适合转子的结构简化方式；

根据转子的实际结构，依据相应的简化原则，对转子结构进行简化；所述解析转子结构，为针对转子的特点，确定对转子采取何种简化方式；所述结构简化方式，为简化过程中采用的六种简化原则：（1）所有参与旋转运动的零件，均算作计算对象；（2）不考虑装配体中的配合关系，将转子视为整体；（3）存在内外套合装配关系的零件材料，以外部零件材料为准；（4）忽略扭矩影响；（5）主要考察横向振动；（6）径向轴承作用点，取在转轴中心处；

步骤二：按照既定简化结构及传递系数算法要求，划分计算结点；

根据简化结构的特点，和传递系数算法的要求，将转子沿轴向进行结点划分和质量集中；所述传递系数算法，是转子动力学专业中，为求取转子临界转速和振型的标准、通用算法，是一种数值计算方法；所述划分计算结点和质量集中，是传递系数法中所规定的标准、关键、通用步骤；有关传递系数算法及要求，由于该方法是本领域中的标准、通用算法，现有技术中有大量这方面的资料，具体可参考文献1（韩继斌.整体传递系数法分析转子系统动力特性[D].北京:北京航空航天大学,1999）中P143-176所述，本专利只是应用该传递系数算法，并不对传递系数算法本身进行改进。

步骤三：计算各结点的物理特性参数值；将各结点对应的物理特性参数，按照物理学公式计算出来；所述各结点的物理特性参数值，为利用传递系数法计算时，所用到的每个结点物理特性值，包括：长度、外径、内径、密度、质量、弹性模量、截面惯性矩、抗弯刚度、质量惯性矩、支点刚度、力矩刚度、不平衡量；

步骤四：设定支承刚度值区间，用二分法在区间内进行多点插值，并利用传递系数法计算每个刚度插值点对应的临界转速和振型；根据经验值，取定某支承刚度区间值，使得支承刚度真实值落在该区间内，以二分法插值，以传递系数法计算每一个刚度插值点对应的临界转速和振型；所述支承刚度值区间，为依据经验值或设计值选取的刚度区间，该区间要包含支承刚度真实值；所述二分法插值，为在支承刚度值区间内，选取区间中点为插值点，并依次划分下去的插值方法；所述每个刚度插值点对应的临界转速和振型，为某固定支承刚度值条件下，转子固有的临界转速和振型；

步骤五：归纳计算结果，寻找敏感振型，并确定其对应的敏感刚度值；将选定的刚度插值点按从小到大的顺序依次排列，计算得到的临界转速和振型也和对应的刚度值一起排列；从振型形态的变化寻找敏感振型，并记录敏感振型对应的刚度值-敏感刚度值；所述敏感振型，为所选刚度插值点依次变化时，同阶振型之间发生了形态变化，即为某刚度区间对应的敏感振型；所述敏感刚度值，为敏感振型出现时，所对应的刚度插值点；

步骤六：判断计算结果是否满足精度要求，若满足则执行步骤7；否则，在敏感刚度值点形成的区间内重复执行插值、计算过程，直到满足要求为止；敏感振型对应的刚度插值点会构成一个新的刚度区间，在该区间内再次进行刚度插值和临界转速及振型计算过程；所述重复插值与计算，为重复步骤四与步骤五的过程；

步骤七：根据计算结果，最终确定支承刚度、临界转速及振型；所述计算结果，为步骤六得出的计算结果；所述确定支承刚度，为最终满足精度要求的结果对应的刚度插值点；所述临界转速及振型，为最终满足精度要求的结果对应的刚度插值点对应的临界转速及振型，亦即最终预估的转子临界转速的结果。

经过二轮或多轮插值计算得到的临界转速和振型，精度上已能满足工程需求，即可作为最终的预估值。

本发明的优点：流程明确、计算准确、操作简单、计算效率高、对操作人员要求低、适合工程应用。

附图说明

图1本发明的估算转子临界转速的工程方法的流程图；

图2某转子结构图；

图3转子结构简化示意图；

图4临界转速随刚度值变化曲线；

图5转子一临界振型；

图6转子二临界振型。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

下面结合附图来对本发明做进一步说明。本发明涉及一种估算转子临界转速的工程方法，流程如图1所示，此方法通过七步来实现：

步骤一：解析转子结构，确定适合转子的结构简化方式；

根据转子的实际结构，依据相应的简化原则，对转子结构进行简化。

根据简化结构的特点，和传递系数算法的要求，将转子沿轴向进行结点划分和质量集中；

步骤三：计算各结点的物理特性参数值；

将各结点对应的物理特性参数，按照物理学公式计算出来；

步骤四：设定支承刚度值区间，根据二分法在区间内进行多点插值，并利用传递系数法计算每个刚度插值点对应的临界转速和振型；

根据经验值，取定某支承刚度区间值，使得支承刚度真实值落在该区间内，用二分法在区间内插值取点，用传递系数法计算每一个固定刚度值对应的临界转速和振型；

步骤五：归纳计算结果，寻找敏感振型，并确定其对应的敏感刚度值；

将选定的刚度值按从小到大的顺序依次排列，计算得到的临界转速和振型也和对应的刚度值一起排列；从振型形态的变化寻找敏感振型，并记录敏感振型对应的刚度值-敏感刚度值；

步骤六：判断计算结果是否满足精度要求，若满足则执行步骤7；否则，在敏感刚度值点形成的区间内，重复执行插值、计算过程，直到满足精度要求为止；

步骤七：根据计算结果，最终确定支承刚度、临界转速及振型；

经过二次插值计算得到的临界转速和振型，精度上已能满足工程需求，即可作为最终的预估值。

实施例

下面结合一具体的实施例，来对本发明提供的方法做进一步说明。

某转子模型如图2所示，支承结构为0-2-0方式，径向轴承2-1外圈装有阻尼减振器2-2，阻尼减振器2-2与弹性支承结构2-3提供的联合支承刚度是计算临界转速时需要的必要参数。

根据该转子的实际结构，给出简化转子结构如图3所示。质量盘包括压气机3-1、涡轮3-2，支点位置定于原径向轴承2-1的中心处，相应的联合刚度、阻尼为3-3。沿转子轴向方向，划分结点26处，将参与旋转运动的质量等效集中于相应结点上，并计算各结点物理特性参数值。结点号及对应的特性参数值列于表1中。

表1结点物理特性参数列表

根据工程经验，设定刚度区间为4.0e6～1.25e8N/m,在该区间中，进行二分法插值取点，计算每个刚度插值点对应的临界转速和振型。将部分结果列于表2中。其中，n为自然数，代表插值点数。

表2计算结果列表

观察、分析表2，发现在序号4-5处，振型形态发生改变，确定该处振型为敏感振型，对应的刚度区间1.0e7～1.2e7N/m为敏感刚度区间。将表2中的临界转速按同类振型分组，绘出各类振型下的临界转速随组合刚度的变化规律曲线，如图4所示。从图中可以看出，在敏感刚度区间内，二临界刚体振型出现波动，意味着在此刚度下，转子的临界转速反映敏感，也就是转子临界转速存在的区域。

对该区间进行第二轮插值、计算。计算m次，其中，m为自然数，代表插值点数或计算次数计算结果见表3所列。可以看出，经过进一步的插值细化后得出转子的组合刚度为1.1097e7N/m。此时的临界转速为：一阶8421rpm，刚体俯仰振型，图5所示；二阶19385rpm，弯曲振型，图6所示。

表3二次插值计算结果列表

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims

1.一种估算转子临界转速的工程方法，其特征在于，所述工程方法包括以下步骤：

1）解析转子结构，根据转子的实际结构，依据通用的简化原则，对转子结构进行简化，确定适合转子的结构简化方式；

2）按照既定的转子简化结构及传递系数法要求，将转子沿轴向进行计算结点划分和质量集中；

3）计算各结点的物理特性参数值；

4）设定支承刚度值区间，用二分法在刚度值区间内进行多点插值，并利用传递系数法计算每个刚度插值点对应的临界转速和振型；

5）归纳计算结果，将选定的刚度插值点按从小到大的顺序依次排列，计算得到的临界转速和振型也和对应的刚度值一起排列；从振型形态的变化寻找敏感振型，并记录敏感振型对应的敏感刚度值；其中，

所述敏感振型，为所选刚度插值点依次变化时，同阶振型之间发生了形态变化，即为某刚度区间对应的敏感振型；所述敏感刚度值，为敏感振型出现时，所对应的两个刚度插值点；

6）判断计算结果是否满足精度要求，若满足则执行步骤7）；否则，在两个敏感刚度值点形成的区间内，重复执行步骤4）、5）的插值、计算过程，直到满足精度要求为止；

7）根据步骤6）的计算结果，最终确定转子支承刚度、临界转速及振型。

2.根据权利要求1所述的工程方法，其特征在于，步骤1）中，所述通用的简化原则包括：所有参与旋转运动的零件，均算作计算对象；不考虑装配体中的配合关系，将转子视为整体；存在内外套合装配关系的零件材料，以外部零件材料为准；忽略扭矩影响；主要考察横向振动；径向轴承作用点，取在转轴中心处。

3.根据权利要求1所述的工程方法，其特征在于，步骤3）中，所述各结点的物理特性参数值，为利用传递系数法计算时，所用到的每个结点的物理特性值，包括：长度、外径、内径、密度、质量、弹性模量、截面惯性矩、抗弯刚度、质量惯性矩、支点刚度、力矩刚度和不平衡量。

4.根据权利要求1所述的工程方法，其特征在于，步骤4）中，所述支承刚度值区间，为依据经验值或设计值选取的刚度区间，该区间要包含支承刚度真实值。

5.根据权利要求1或4所述的工程方法，其特征在于，步骤4）中，所述二分法插值，为在支承刚度值区间内，选取区间中点为插值点，并依次划分下去的插值方法。

6.根据权利要求1或4所述的工程方法，其特征在于，步骤4）中，所述每个刚度插值点对应的临界转速和振型，为某固定支承刚度值条件下，转子固有的临界转速和振型。

7.根据上述任一项权利要求所述的工程方法，其特征在于，所述的估算转子临界转速的工程方法，特别适用于含多层叠片阻尼器的转子。