e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

利用SAMCEF Rotor计算某双转子系统的动力特性

2022/2/17    来源:达索    作者:黄金  王跃方      
关键字:SAMCEF Rotor  双转子系统  临界转速  不平衡响应  
利用SAMCEF Rotor软件建立了某双转子系统的二维Fourier有限元模型,分别利用伪模态综合法和直接法对计算了该转子系统的临界转速,得到转子的前三阶临界转速。发现两种方法给出的结果吻合很好。
1 引言

       随着科技的发展,对燃气轮机的性能要求不断提高。工业需要更轻更柔的转子,且这些转子要运行在一阶甚至两阶临界转速以上。现在,许多商用飞机的发动机通常设计为双转子,需要建立配套的复杂模型来对它们进行分析,模型中应包括转速不同的内、外转子,中介轴承、滚动轴承以模拟转子之间的相互作用。临界转速特性是转子系统的重要的动力学特性,对其进行分析计算有重要意义,了解转子的临界转速的分布,可以让我们设计转子时,选择适合转子安全平稳运行的转速区域。

       SAMCEF Rotor是针对转子动力学的专业解决方案,是转子动力学领域唯一的大型分析软件,善于解决转子的动力学问题,如转子的涡动频率、涡动频率、瞬态响应和谐波响应分析等。SAMCEF Rotor可以进行转子系统的建模,阻尼与无阻尼转子临界转速、转子稳定性、不平衡响应分析及瞬态响应分析、弯扭耦合分析。能考虑发动机转子与静子间的耦合及发动机转子支撑刚度的计算,模拟发动机各种支撑方式,如轴承、油膜等。

       缪辉,王克明等建立了简易双转子系统的有限元模型,计算了双转子系统的临界转速和不平衡响应。孙红岩利用有限元软件研究了某转子系统的不平衡响应以及分析了弹性支承对转子系统的影响。徐金锁对某型号航空发动机进行了建模,并且计算了转子的临界转速以及涡轮转子的某些结构参数对转子的动力学特性的影响。刘承前利用SAMCEF Rotor分别研究了单跨和双跨转子-轴承系统的非线性动力学响应。这些研究都是利用一维梁单元模型来建模计算,这种模型对与简单形状的转子建模很有效,但是对于,例如变截面、内部有支承等复杂转子的手工建模不是很方便,难以保证建模的精度,因此需要考虑更精确的建模方法。二维轴对称建模具有如下优点:适用于复杂形状转子,可以对旋转设备更精细的建模;适用于毂桶式转子,允许有椭圆度;包括紧固件模型,可设定内部边界条件;通过结构相似性减少单元数。发动机转子动力特性分析对象具有完全轴对称的特征,利用二维轴对称有限元模型可以解决这些问题。

       SAMCEF Rotor利用Fourier谐波单元作为二维轴对称单元。本文利用这种Fourier谐波单元对论文中采用的计算模型建模,分别利用伪模态综合法和直接法对计算了该转子系统的临界转速,提取出转子的前三阶临界转速作为分析。接着对转子系统进行了不平衡响应分析,随后进行了转子的不平衡响应分析,发现转子的二阶不平衡响应最大,一阶不平衡响应最小,转子系统在第二、三阶临界转速之间存在着较大的稳定区域,在设计转子时,应该将实际运行转速设定在此区域内。

2 双转子系统模型

       图1是双转子涡轮发动机的示意图,该发动机由一个动力涡轮—内转子和一个燃气发生器涡轮—外转子组成,分别可以模拟航空发动机的高压以及低压转子。内转子采取1-0-1支承形式:位于轴两端的1号和2号轴承支承动力涡轮。外转子采取1-1-1支承形式:蒸汽发生器涡轮主要由3号和4号滚动轴承支承,中介轴承连接动力涡轮和蒸汽发生器涡轮。将机匣看成是刚体,1,2,3号支承连接在机匣上。设定外转子和内转子的工作转速比为1.5。

       该双转子的几何结构参数如表1所示。

双转子涡轮发动机模型

图1 双转子涡轮发动机模型
表1 转子几何参数

转子几何参数


       建模时考虑以下几点:

       1.把轴、轮盘以及叶片作为一个整体,假设轴、叶片之间为刚性连接;

       2.对图1所示模型进行适当简化,将叶片等效成轮盘的一部分,将叶片的质量加在所在盘上,和盘一起计算转动惯量;

       3.支承和轴承简化为弹簧和阻尼单元。

       有限元模型如图2所示。图中1,2,3代表三个集中质量点。整个计算模型中四节点二维轴对称单元879个,接地轴承(Ground Bearing)3个,中介轴承2个,共有节点1215个。

转子有限元模型

图2 转子有限元模型
表2 转盘质量以及集中质量

转盘质量以及集中质量


       轴和盘材料的杨氏模量为210GPa,密度为7800kg/m3,泊松比0.3。选择x轴为转子旋转方向。将盘简化为具有惯性矩和转动惯量的集中质量点。假设轴承是各项同性的,计入阻尼的影响,轴承参数如表3所示。
表3 轴承刚度和阻尼

轴承刚度和阻尼


3 计算结果分析

       3.1 临界转速

       双转子系统的每一阶临界转速都可能出现两个值,一个是以内转子为主激励的临界转速,另一个是以外转子为主激励的临界转速。一般情况下,外转子比内转子转速高,所以系统先要通过以外转子为主激励的第一阶临界转速,再通过以内转子为主激励的临界转速。因为正向涡动频率是转子系统的临界转速,所以外转子总是比内转子提前通过临界转速。

       3.2 双转子系统临界转速计算

       各阶涡动频率组成的Campbell图如下:

涡动频率组成的Campbell图

图3 涡动频率组成的Campbell图
注:Out代表外转子,In代表内转子

       由图3可知,内转子为主激励时前三阶临界转速大于外转子为主激励的临界转速。在0~15000rpm的转速范围内,存在三阶外转子(高压)同步临界转速和三阶内转子(低压)同步临界转速。如果发动机的工作转速高于15000rpm,将会先后越过六个临界转速。

       以内转子为主激励的前三阶涡动频率作为比较对象,将直接法与伪模态综合法求得的结果对比,如表4所示:
表4 直接法和伪模态综合法结果对比

直接法和伪模态综合法结果对比


       从表4可以看出,用伪模态综合法和直接法求得的各阶临界转速相差很小,在实际应用中两种方法得到的结果可以通用。

       根据伪模态综合法可以做出Campbell图,从中可以求得各个转速下的涡动角速度,缺点是计算量较大;相反,利用直接法能快速的直接得到各阶临界转速的数值。在实际应用中,可以根据需求选择合适的算法。

       根据上面的结果,转子系统的前三阶临界转速为:
表5 转子系统内外转子为主激励的前三阶临界转速

转子系统内外转子为主激励的前三阶临界转速


       从表5可以看出该转子系统由内外转子为主机里的前三阶临界转速所对应的临界转速基本保持一致。

       转子的前三阶涡动振型如下:

第一阶反向涡动振型

图4 第一阶反向涡动振型

第一阶正向涡动振型

图5 第一阶正向涡动振型

第二阶正向涡动振型

图6 第二阶正向涡动振型

第三阶正向涡动振型

图7 第三阶正向涡动振型

       3.3 双转子系统的不平衡响应分析

       转子系统的不平衡是引起结构振动的一个主要因素。由于材质不均匀,加工和安装误差等原因,结构不可避免地存在着偏心。离心力相当于对转子周期激励,通过轴承传到底座,从而引起整个系统的振动。

       不平衡响应分析用于确定结构在简谐激励下的稳态响应,分析中只计算结构的稳态受迫振动,不考虑瞬态振动。计算出结构在不同频率下的响应值与激励频率的曲线,从而可以得到系统的持续动力特性,直观的看出系统的共振区域。

       为得到系统的幅频特性曲线,需要计算系统在各个频率下面的响应。本文采取伪模态综合法计算转子系统的不平衡响应。转子不平衡量作为转子受到的载荷,取图2中盘1作为系统的特征盘。激振力的频率范围为0~250Hz。
表6 转子系统不平衡量参数

转子系统不平衡量参数

特征盘谐响应分析结果的Bode图

图8 特征盘谐响应分析结果的Bode图

       从图8a)可以看出在42Hz、110Hz、227Hz处发生共振,与前面计算得到的临界转速相比,第一阶和第三阶临界转速相同,第二阶临界转速稍有不同。

       对比图8a),b)可以看出:

       1.转子的二阶不平衡响应最大,一阶不平衡响应最小。

       2.在临界转速之外,不平衡响应较小,转子实际运行应该避免临界转速区域,例如第二阶和第三阶临界转速之间存在的较大的稳定区域。

       3.在各阶临界转速处,转子的振动相位发生了180度的转变,产生了“质心转向”现象。

4 结论

       本文利用SAMCEF/Rotor软件建立了某双转子系统的二维Fourier轴对称有限元模型,分别利用伪模态综合法和直接法对计算了该转子系统的临界转速,通过比较转子系统的前三阶临界转速,发现二者得出临界转速结果很吻合。实际应用中可以根据两种方法的特点,选择合适的计算方法。随后进行了转子的不平衡响应分析,可以看出:转子系统在各阶临界转速处的响应远远大于其他转速;转子的二阶不平衡响应最大,一阶不平衡响应最小;转子系统在第二、三阶临界转速之间存在着较大的稳定区域。在设计转子时,应该将实际运行转速设定在此区域内。
 
责任编辑:程玥
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并已尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐