CN114117803B - 一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法和系统，所述方法包括：根据燃气发生器转动惯量评估发动机的起动加速性和可靠性；对发动机内部的轮盘强度、振动和寿命以及转子的动力特性进行评估；判断发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及转子的动力特性是否满足要求；根据判断结果确认是否完成设计。本发明在设计方案时就对发动机的起动加速性和可靠性进行评估，避免了在整机试车阶段出现起动加速性和可靠性不满足要求的情况，确保研制进度；同时在设计时考虑了起动加速性要求，使得转子转动惯量受到限制保证轮盘的一些参数裕度会在适当的范围内，不会造成裕度储备过大造成轮盘超重的问题。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机领域，特别涉及一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法和系统。
背景技术
快速、可靠的起动能力是航空燃气涡轮发动机的重要特性之一。目前的涡轴发动机燃气发生器转子设计方法在方案设计阶段并不考虑发动机的起动加速性和可靠性，而是通过后续的整机试验来验证。这种方法依赖于设计经验，如有没有相近功率的型号设计经验等等。如果在整机试验时发现起动加速性和可靠性不能满足要求，再进行结构更改，往往会影响研制进度，且导致研制成本上升。
面向全疆域就设计需求的涡轴发动机，要求陆、海共用，配装发动机需要兼顾平原、高原、高寒以及海洋环境下使用，要求发动机具有更好的起动加速性和可靠性，给发动机设计提出了新的挑战。在高原高寒环境下，空气密度和压力减小，使得起动时进入发动机的空气流量减少，导致点火起动困难。此外，不同的使用环境也增加了发动机寿命设计的难度。这就要求燃气发生器转子的重量较常规的发动机轻，并且具有较长的使用寿命。而采用传统的燃气发生器转子设计方法，原有的设计经验不能完全适用，很容易导致转子超重，在发动机起动方面具有较大的研制风险，是目前面向全疆域需求的发动机需要迫切解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
根据燃气发生器转动惯量评估所述发动机的起动加速性和可靠性；
对所述发动机内部的轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命以及转子的动力特性进行评估；
判断所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性是否满足要求；
根据判断结果确认是否完成设计。
若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性满足要求，则完成设计；
若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性有一个或多于一个未满足要求，则未完成设计，对所述发动机进行转子结构优化。
评估所述发动机的起动加速性和可靠性之前需要进行以下准备：
对发动机的起动电机进行选型并计算所述起动电机的扭矩和负载惯量；
构建所述燃气发生器的三维实体模型，所述实体模型中包括转动组件；
根据所述起动电机的扭矩和燃气发生器的传动链计算燃气发生器转动惯量；所述燃气发生器转动惯量为燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线上的转动惯量。
进一步地，评估所述发动机的起动加速性和可靠性包括评估起动点火时间和到达慢车时的时间是否满足要求。
进一步地，评估所述发动机内部轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命包括评估轮盘的强度裕度、振动裕度和安全寿命是否符合要求。
进一步地，评估所述转子的动力特性包括所述转子的临界转速和支撑刚度是否满足要求。
进一步地，以燃气发生器起动点火时间评估所述发动机的起动加速性，按照以下方法进行：
根据目标转速N和功率P计算得到起动电机的起动扭矩T；
计算燃气发生器内各转动部件折算到起动电机轴线上的转动惯量IM/K；
IM/K＝IK(nK/nM/K)2 (2)
式中，IM/K表示燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线的转动惯量；IK表示第K个零部件绕自身轴线的转动惯量；nK表示第K个零部件的转速；nM/K表示起动电机的转速；
根据所述起动扭矩T和起动电机负载惯量J计算发动机的角速度β；
其中，J＝IM/K；
根据所述发动机的角加速度和燃气发生器点火时的转速计算起动点火时间；
式中，Np为燃气发生器点火转速，t为起动点火时间，
其中
为在燃气发生器转速从0至到达起动点火转速时的平均角加速度。
进一步地，以燃气发生器达到慢车的时间评估所述发动机起动加速性，按照以下方法进行：
根据所述发动机的角速度和起动点火时间计算发动机脱开时间t1；
其中，Np为燃气发生器点火转速，β为发动机的角加速度，t为起动点火时间，ng1为电机脱开时的燃气发生器转速；
根据所述发动机脱开时间计算燃气发生器达到慢车的时间t2；
其中，β为发动机的角加速度，t为起动点火时间，Ng1为起动电机脱开时的燃气发生器转速；Ng2燃气发生器达到慢车时的转速。
本发明还提出了一种涡轴发动机燃气发生器转子设计系统，所述设计系统包括：
第一评估模块，用于根据燃气发生器转动惯量评估所述发动机的起动加速性和可靠性；
第二评估模块，用于对所述发动机内部的轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命以及转子的动力特性进行评估；
判断模块，用于判断所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性是否满足要求；
确认模块，用于根据判断结果确认是否完成设计。
进一步地，所述系统还包括第一计算模块和第二计算模块；
第一计算模块，用于对起动电机进行选型并计算所述起动电机的扭矩和负载惯量；
建模模块，用于构建所述燃气发生器的三维实体模型，所述实体模型中包括转动组件；
第二计算模块，根据所述起动电机的扭矩和燃气发生器的传动链计算燃气发生器转动惯量；所述燃气发生器转动惯量为燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线上的转动惯量。
进一步地，若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性满足要求，则完成设计；
若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性有一个或多于一个未满足要求，则未完成设计，对所述发动机进行转子结构优化。
本发明的有益效果：
本发明在涡轴发动机方案设计阶段就对发动机的起动加速性和可靠性进行评估，并在满足要求的前提下实现燃气发生器转子的轻量化设计，避免了在整机试车阶段出现起动加速性和可靠性不满足要求的情况，确保研制进度，节省了研制成本；
本发明中由于在设计时就考虑了起动加速性要求，使得转子转动惯量受到限制，从而会使得轮盘的一些参数裕度会在适当的范围内，不会造成裕度储备过大造成轮盘超重的问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有技术中燃气发生器转子设计流程图；
图2示出了本发明实施例中燃气发生器转子设计流程图；
图3示出了采用现有设计方法和本发明实施例提出的设计方法得到的转子结构对比示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的涡轴发动机燃气发生器转子设计方法在方案设计阶段不考虑发动机的起动加速性和可靠性，具体设计流程如图1所示：
首先进行燃气发生器转子三维实体建模，进行转子动力学评估，然后进行轮盘强度、振动和寿命评估。在通过转子动力学评估、轮盘强度、振动和寿命评估这些都满足设计要求后，再进行零部件试制。零部件试制后进行整机试验阶段，根据经验或用户要求，选择起动电机，通过整机试验验证起动加速性和可靠性，如果不能满足要求，再修改结构，重新进行三维实体建模，如果满足要求则设计结束。
上述过程对发动机的起动加速性和可靠性的试验是在整机试验过程中进行，如果在整机试验时发现发动机的起动加速性和可靠性不能满足要求，这时往往已经过了工程设计阶段，此时再进行较大的轮盘结构更改，不仅对研制进度造成较大影响，还会造成研制成本的上升。
本发明从考虑发动机的起动加速性和可靠性角度出发提出了涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，主要用于解决发动机在设计过程中起动加速性、可靠性提升的问题。分别对发动机的起动加速性和可靠性、轮盘的强度、振动和寿命以及转子动力学特性进行评估；若发动机的起动加速性和可靠性、轮盘强度、振动和寿命以及转子的动力特性均通过评估，则完成设计；若发动机的起动加速性和可靠性、轮盘强度、振动和寿命以及转子的动力特性有一个或多于一个未通过评估，则需要转子结构进行继续优化。所述转子结构优化主要包括轮盘结构的优化，也包含叶片的一些细节调整。由于轮盘占转子重量的比重较大，所以重点针对轮盘进行优化。该种操作在燃气发生器转子方案设计阶段对发动机的起动加速性和可靠性进行设计，并采用多学科多目标优化的方法对燃气发生器转子进行优化，从而避免后续工程设计阶段不满足要求时再进行更改，影响研制进度。
本发明以图2所示的设计流程图为例对本发明提出的设计方法进行说明，以下描述中，发动机指的是整个航空发动机，燃气发生器是发动机的核心部分，主要包括压气机、燃烧室、燃气涡轮等。起动电机是用于起动航空发动机的。具体包括以下步骤：
S1：起动电机选型分析。
根据用户要求，初步选定起动电机型号；
根据起动电机功率和转速，计算起动电机扭矩和负载惯量。
S2：燃气发生器转动惯量分析。
构建燃气发生器内各部件或者组件的实体模型，具体地可利用UG软件绘制各部件/组件的三维实体模型，部件可包含多个组件，组件包括转动组件和非转动组件。燃气发生器包含压气机部件和涡轮部件。根据燃气发生器的传动链计算各转动部件折算到起动电机轴线上的转动惯量(燃气发生器转动惯量)，此处的UG软件只是示例性举出并非仅限于此，只要能绘制各部件或者组件的三维实体模型即可。
S3：起动加速性和可靠性评估。
根据起动电机选型得到的负载惯量和计算得到的燃气发生器转动惯量，评估起动加速性和可靠性是否满足需求(即判断燃气发生器起动点火时间和到达地面慢车的时间长短是否满足要求)。
发动机的起动加速性评估靠的是点火时间和达到地面慢车的时间，时间越短，说明加速性越好。可靠性评估没有明确的指标，在高原高寒的环境下，空气密度和压力小，使得起动时进入发动机的空气流量减少，容易导致点火困难，起动可靠性降低。如果转子的转动惯量越小，可以降低全包线范围内的起动功率，所需的起动时进去发动机的空气流量相应减少。本发明实施例中以地面标准大气环境下的数据进行示例性说明，如果高原高寒环境下，起动点火时间要延长。
示例性地，可按照以下方法对转子发生器起动加速性和可靠性进行评估：
设置起动电机目标转速为2500r/min，功率为11kW，燃气发生器点火转速7500r/min，
扭矩T可以由功率P和转速N算得：
经计算电机达到目标转速2500r/min时，起动扭矩为42N·m。
由式(2)计算燃气发生器的传动链计算各转动组件折算到起动电机轴线上的转动惯量。
IM/K＝IK(nK/nM/K)2 (2)
IM/K表示燃气发生器内转动组件折算到起动电机轴线的转动惯量(燃气发生器转动惯量)；IK表示第K个零部件绕自身轴线的转动惯量；nK表示第K个零部件的转速；nM/K表示起动电机的转速。
经计算，IM/K＝1.3Kgm2。折算到起动电机轴上的转动惯量为起动电机的负载惯量。
由式(3)计算得到角加速度
式中J为起动电机负载惯量。
经计算β＝64.6rad/s2。
由于角加速度随着时间是逐渐减小的，假定角加速度的变化率为恒定，则在燃气发生器转速从0至到达起动点火转速时的平均角加速度为
起动点火时间可由式(4)计算得到。
式中Np为燃气发生器点火转速，t为起动点火时间。经计算可得起动点火时间t＝6s。
假定起动电机脱开时的燃气发生器转速为Ng1＝14400r/min，从起动点火到起动电机脱开这段时间内的加速度略有减小，按经验取0.85β。燃气发生器慢车转速Ng2＝24800r/min，从起动电机脱开到慢车这段时间，加速度略有增加，按经验取1.25β。
式中t1为起动电机脱开时间。
通过式(5)求得t1＝19.1s。
式中t2为燃气发生器达到慢车的时间。
通过式(6)求得t2＝32.5s。
通过该方法可以估算点火时间和达到地面慢车时的时间，从而评估发动机的起动加速性和可靠性。
S4：轮盘强度、振动和寿命评估。
根据相关的设计规范和标准，对轮盘强度、轮盘的振动频率(叶片与轮盘相连接，轮盘形状会影响叶片的振动频率)、轮盘寿命进行分析，评估强度裕度、振动裕度和安全寿命是否满足要求。传统设计方法仅给出裕度下限，设计时裕度储备过大，容易导致轮盘超重。本方法经优化后，因为有了起动加速性要求，转子转动惯量受到限制，裕度会设置在适当的范围内。评定轮盘设计是否合理的设计准则包括以下几个方面：足够的应力储备；防止轮盘破裂；防止有害的变形；防止高循环疲劳破环；足够的低循环疲劳寿命；防止轮盘屈曲；防止有害的盘—片耦合共振与振动。
S5：转子动力学评估。
根据相关的设计规范和标准，对燃气发生器转子动力特性进行分析。评估转子的临界转速和支撑刚度是否满足要求。
转子动力学设计的主要设计标准为：
允许的临界转速(裕度不小于20％)；
允许的转子弯曲应变能(弯曲应变能占比不超过占总应变能20％～25％)；
转静子间间隙的控制(转静子不碰磨)；
允许的支承结构载荷；
具有足够的转子稳定性储备(转子不失稳)；
防止转动薄壁件共振。
S6：转子结构多学科多目标优化(主要优化轮盘结构)。
采用优化平台对转子进行多学科多目标优化。当燃气发生器转动惯量、轮盘强度寿命、燃气发生器子动力特性不满足要求时，针对转子轮盘开展结构优化，在满足条件的前提下，实现转子的轻量化设计。
优化过程包括：
结构参数化建模：例如在UG中进行参数化建模，利用UG的草图、约束、表达式及更新功能实现参数化造型；
确定优化数学模型：确定设计变量、优化目标和约束条件；确定选择优化算法、搭建优化流程、优化结果确定等。优化目标可以是转子重量、轮盘寿命等，可根据具体情况改变。一般可以选取轮盘结构尺寸为设计变量，以转子重量为优化目标，以轮盘应力或寿命、转子动力特性、叶片振动裕度、叶片位移等指标为约束条件进行优化。优化流程可通过自行开发或商用的优化软件平台搭建。这些条件是设计时需要满足的条件，这些条件都有一个最低的限制，设计不合理时有的指标裕度过大，因此可以说是在满足上述评估条件后在允许范围内进行最轻量化设计。
上述步骤并不一定按照严格的顺序执行也不一定仅限于以上步骤，可以有其他步骤和操作。本发明还提出了一种涡轴发动机燃气发生器转子设计系统，该系统并不仅限于上述方法的实行，所述设计系统包括：
第一计算模块，用于对起动电机进行选型并计算所述起动电机的扭矩；
建模模块，用于构建所述发动机的三维实体模型，所述实体模型中包括转动组件；
第二计算模块，根据所述起动电机的扭矩和燃气发生器的传动链计算所述燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线上的转动惯量；
第一评估模块，用于根据负载惯量和转动惯量评估所述发动机的起动加速性和可靠性；
第二评估模块，用于对所述发动机内部轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命以及转子的动力特性进行评估；
判断模块，用于判断所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性是否满足要求；
确认模块，用于根据判断结果确认是完成设计还是进行结构优化。若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性满足要求，则完成设计；若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性有一个或多于一个未满足要求，则未完成设计，对所述发动机进行转子结构优化。
本发明采用现有技术中的燃气发生器转子设计方法和本发明实施例提出的燃气发生器转子设计方法和系统分别进行了设计，两种方设计法最终得到的转子结构如图3所示。采用本发明的设计方法设计的燃气发生器转子(优化后)相较于采用现有技术中的设计方法设计的燃气发生器转子结构(优化前)重量减轻15％，燃气发生器转动惯量降低12％，相应的起动加速性提高12％。零部件和整机试验表明，采用本发明实施例的设计方法设计的转子动力特性良好，轮盘强度、振动和寿命满足要求。而按照现有技术中设计方法设计的发动机的起动加速性和可靠性不能满足要求，起动时间长，甚至有时候起动失败，而采用新的设计方法设计的转子发动机起动性能很好，每次都能成功，可靠性得到提高。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，
所述设计方法包括以下步骤：
根据燃气发生器转动惯量评估所述发动机的起动加速性和可靠性，评估所述发动机的起动加速性和可靠性包括评估燃气发生器起动点火时间和到达慢车的时间是否满足要求；
其中，燃气发生器起动点火时间按以下步骤获得：
根据目标转速N和功率P计算得到起动电机的起动扭矩T；
计算燃气发生器内各转动部件折算到起动电机轴线上的转动惯量
；
式中，
表示第K个零部件绕自身轴线的转动惯量；
表示第K个零部件的转速；
表示起动电机的转速；
根据所述起动扭矩T和起动电机负载惯量J计算发动机的角加速度
；
其中，
；
根据所述发动机的角加速度
和燃气发生器点火时的转速
计算燃气发生器起动点火时间
；
式中，
，其中
为燃气发生器转速从0至到达起动点火转速时的平均角加速度；
其中，燃气发生器到达慢车的时间t 2按以下步骤获得：
根据所述发动机的角加速度
和燃气发生器起动点火时间
计算发动机脱开时间t 1；
其中，N g1 为起动电机脱开时的燃气发生器转速；
根据所述发动机脱开时间t 1计算燃气发生器到达慢车的时间t 2；
其中，N g2 为燃气发生器达到慢车时的转速；
对所述发动机内部的轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命以及转子的动力特性进行评估；
判断所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性是否满足要求；
根据判断结果确认是否完成设计。
2.根据权利要求1所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，
若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性满足要求，则完成设计；
若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性有一个或多于一个未满足要求，则未完成设计，对所述发动机进行转子结构优化。
3.根据权利要求1或2所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，
评估所述发动机的起动加速性和可靠性之前需要进行以下准备：
对发动机的起动电机进行选型并计算所述起动电机的起动扭矩和负载惯量；
构建所述燃气发生器的三维实体模型，所述实体模型中包括转动组件；
根据所述起动电机的起动扭矩和燃气发生器的传动链计算燃气发生器转动惯量；所述燃气发生器转动惯量为燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线上的转动惯量。
4.根据权利要求1所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，
评估所述发动机内部轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命包括评估轮盘的强度裕度、振动裕度和安全寿命是否符合要求。
5.根据权利要求1所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计方法，其特征在于，
评估所述转子的动力特性包括所述转子的临界转速和支撑刚度是否满足要求。
6.一种涡轴发动机燃气发生器转子设计系统，其特征在于，
所述设计系统包括：
第一评估模块，用于根据燃气发生器转动惯量评估所述发动机的起动加速性和可靠性，评估所述发动机的起动加速性和可靠性包括评估燃气发生器起动点火时间和到达慢车的时间是否满足要求；
其中，燃气发生器起动点火时间按以下步骤获得：
根据目标转速N和功率P计算得到起动电机的起动扭矩T；
计算燃气发生器内各转动部件折算到起动电机轴线上的转动惯量
；
式中，
表示第K个零部件绕自身轴线的转动惯量；
表示第K个零部件的转速；
表示起动电机的转速；
根据所述起动扭矩T和起动电机负载惯量J计算发动机的角加速度
；
其中，
；
根据所述发动机的角加速度
和燃气发生器点火时的转速
计算燃气发生器起动点火时间
；
式中，
，其中
为燃气发生器转速从0至到达起动点火转速时的平均角加速度；
其中，燃气发生器到达慢车的时间t 2按以下步骤获得：
根据所述发动机的角加速度
和燃气发生器起动点火时间
计算发动机脱开时间t 1；
其中，N g1 为起动电机脱开时的燃气发生器转速；
根据所述发动机脱开时间t 1计算燃气发生器到达慢车的时间t 2；
其中，N g2 为燃气发生器达到慢车时的转速；
第二评估模块，用于对所述发动机内部的轮盘强度、轮盘振动和轮盘寿命以及转子的动力特性进行评估；
判断模块，用于判断所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性是否满足要求；
确认模块，用于根据判断结果确认是否完成设计。
7.根据权利要求6所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计系统，其特征在于，
所述系统还包括第一计算模块和第二计算模块；
第一计算模块，用于对起动电机进行选型并计算所述起动电机的起动扭矩和负载惯量；
建模模块，用于构建所述燃气发生器的三维实体模型，所述实体模型中包括转动组件；
第二计算模块，根据所述起动电机的起动扭矩和燃气发生器的传动链计算燃气发生器转动惯量；所述燃气发生器转动惯量为燃气发生器内各转动组件折算到起动电机轴线上的转动惯量。
8.根据权利要求6或7所述的一种涡轴发动机燃气发生器转子设计系统，其特征在于，
若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性满足要求，则完成设计；
若所述发动机的起动加速性和可靠性，燃气发生器转动惯量，轮盘的强度、振动和寿命以及所述转子的动力特性有一个或多于一个未满足要求，则未完成设计，对所述发动机进行转子结构优化。
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