[发明专利]考虑机匣变形的转子多叶片与机匣定点碰摩仿真方法

说明书

本发明公开了一种考虑机匣变形的转子多叶片与机匣定点碰摩仿真方法，包括步骤：S1、建立转子与机匣系统动力学有限元模型；S2、机匣变形情况下，获得叶片与机匣间隙函数；S3、考虑转子旋转、机匣变形后叶片与机匣的位移，获得叶片与机匣的修正间隙函数；S4、基于叶片与机匣的修正间隙函数，设定转子多叶片与机匣碰摩的时间推进逻辑与时间步长变化，并计算各时刻叶片与机匣的碰摩力、碰摩摩擦力和转子机匣系统响应。本发明考虑机匣变形后，转子及叶片旋转后，叶片与机匣的间隙随旋转的变化，转子涡动和碰摩后，叶片、转子和机匣发生的位移，通过对叶片与机匣的间隙函数修正，精准预判碰摩时刻，缩小碰摩过程的时间步长，提高碰摩仿真的精度。

技术领域

本发明属于叶轮机械的技术领域，具体涉及一种考虑机匣变形的转子多叶片与机匣定点碰摩仿真方法。

背景技术

叶轮机械是一种以连续旋转转子叶片为本体，使能量在流体介质与轴动力之间相互转换的动力机械。按照功能可以分为原动机械，如：汽轮机、燃气透平等(输出功)；工作机械，如：水泵、风机、压气机、螺旋桨等(耗功)。

为了提高叶轮机械发动机的效率、降低油耗和全寿命费用，转子叶片与静子机匣之间的间隙设计得非常小，转子叶片与静子机匣之间的碰摩运动有可能呈现间歇运动而不是平稳运动，即发生碰摩，碰摩不仅会产生噪音，而且还会造成转子叶片表面严重磨损，导致叶轮机械工作质量降低，在碰摩过程中，接触区域会产生大量的摩擦热，使得接触点附近温度快速升高，通常导致材料发生相变，对叶轮机械安全使用造成了极大的隐患。

在转子与机匣系统的动力学仿真分析中，考虑静子机匣的局部变形引起转子叶片与静子机匣的定点碰摩时，由于需求解转子叶片与静子机匣碰摩后的稳定响应，所以需求解转子叶片旋转多个周期的响应，不适合基于大变形理论进行求解，同时，转子叶片与静子机匣发生碰摩后，叶片、转子和机匣的位移，以及碰摩力的加载位置与方向也是影响仿真精度的关键问题。

发明内容

为解决上述技术问题中的至少之一，本发明提出一种考虑机匣变形的转子多叶片与机匣定点碰摩仿真方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明提供了考虑机匣变形的转子多叶片与机匣定点碰摩仿真方法，包括如下步骤：

S1、建立转子与机匣系统动力学有限元模型；

S2、机匣变形情况下，获得叶片与机匣间隙函数；

S3、考虑转子旋转、机匣变形后叶片与机匣的位移，获得叶片与机匣的修正间隙函数；

S4、基于叶片与机匣的修正间隙函数，设定转子多叶片与机匣碰摩的时间推进逻辑与时间步长变化，并计算各时刻叶片与机匣的碰摩力、碰摩摩擦力和转子机匣系统响应。

作为进一步的改进，所述步骤S1中建立转子与机匣系统动力学有限元模型，包括如下步骤：

S11、基于转子与机匣系统结构特征，建立转子与机匣系统动力学模型；

S12、机匣与转轴同心的基础上建立笛卡尔坐标系；

S13、根据转子与机匣系统连接特性，建立转子与机匣的弹簧阻尼单元，得到转子与机匣系统模型。

作为进一步的改进，所述步骤S11中，建立转子与机匣系统动力学模型的公式如下：

式中，ω是转子旋转角速度，M、C、G、K分别为转子的质量矩阵、阻尼矩阵、陀螺力矩矩阵和刚度矩阵，q、Fu、Fce分别为位移向量、不平衡载荷向量和离心载荷向量。

作为进一步的改进，所述步骤S2中获得叶片与机匣间隙函数，包括如下步骤：

S21、设定静止状态下叶片与未变形机匣间的初始间隙；