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带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法

王瑞 廖明夫 程荣辉 丛佩红 雷新亮

王瑞, 廖明夫, 程荣辉, 等. 带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法[J]. 航空动力学报, 2024, 39(9):20220623 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220623
引用本文: 王瑞, 廖明夫, 程荣辉, 等. 带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法[J]. 航空动力学报, 2024, 39(9):20220623 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220623
WANG Rui, LIAO Mingfu, CHENG Ronghui, et al. Workable mode optimization design method for dual-rotor system with inter-shaft bearing[J]. Journal of Aerospace Power, 2024, 39(9):20220623 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220623
Citation: WANG Rui, LIAO Mingfu, CHENG Ronghui, et al. Workable mode optimization design method for dual-rotor system with inter-shaft bearing[J]. Journal of Aerospace Power, 2024, 39(9):20220623 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220623

带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220623
基金项目: 国家科技重大专项(2017-Ⅳ-0001-0038)
详细信息
    作者简介:

    王瑞(1997-),男,博士生,主要从事航空发动机转子动力学研究

    通讯作者:

    廖明夫(1960-),男,教授,博士,主要从事航空发动机转子动力学、风能工程研究。E-mail:mfliao@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: V235.13

Workable mode optimization design method for dual-rotor system with inter-shaft bearing

  • 摘要:

    为解决航空发动机双转子系统无法避开临界转速的问题,建立带中介轴承的双转子系统模型,考虑不平衡敏感度、阻尼器效果和中介轴承载荷影响,构建低压激励模态可容度评价函数和高压激励模态可容度评价函数,确定双转子“可容模态”优化设计目标函数和约束条件,建立了带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法。研究发现,采用“可容模态”优化设计方法,与传统的“临界转速裕度”准则设计相比,带中介轴承的双转子系统轮盘最大振幅减小39.83%,轴系总质量减轻2.32%,支承外传力减小64.98%,表明所建立的带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法是有效的。

     

  • 图 1  带中介轴承的双转子系统模型

    Figure 1.  Dual-rotor system model with inter-shaft bearing

    图 2  同转双转子系统临界转速图谱

    Figure 2.  Critical speed diagram of co-rotating dual-rotor system

    图 3  低压激励振型

    Figure 3.  Low pressure excited mode shape

    图 4  双转子系统“可容模态”优化设计流程

    Figure 4.  Workable mode optimization design process of dual-rotor system

    图 5  优化后的双转子系统模型

    Figure 5.  Optimized dual-rotor system model

    图 6  “临界转速裕度”准则下双转子系统模型

    Figure 6.  Dual-rotor system model under critical speed margin criterion

    图 7  双转子系统初始模型振动响应

    Figure 7.  Vibration response of initial dual-rotor system model

    图 8  “临界转速裕度”准则下双转子系统振动响应

    Figure 8.  Vibration response of dual-rotor system under critical speed margin criterion

    图 9  “可容模态”优化设计下双转子系统振动响应

    Figure 9.  Vibration response of dual-rotor system under workable mode optimization design

    表  1  轴段参数

    Table  1.   Shaft parameters

    转子 轴段 l/mm r/mm R/mm
    低压转子 1-2 50.80 7.00 15.24
    2-3 50.80 7.00 15.24
    3-4 50.80 7.00 15.24
    4-5 88.90 7.00 15.24
    5-6 76.20 7.00 15.24
    6-7 76.20 7.00 15.24
    7-8 50.80 7.00 15.24
    8-9 50.80 7.00 15.24
    9 0 0 0
    高压转子 10-11 50.80 19.05 25.40
    11-12 76.20 19.05 25.40
    12-13 76.20 19.05 25.40
    13-14 50.80 19.05 25.40
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    表  2  叶盘参数

    Table  2.   Disk parameters

    转子 节点 m/kg Ip/10−4
    (kg·m2
    Id/10−4
    (kg·m2
    低压转子 1 4.90 271.20 135.60
    8 4.20 203.40 101.70
    高压转子 11 3.33 146.90 73.40
    13 2.277 97.2 48.6
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    表  3  支承参数

    Table  3.   Fulcrum parameters

    转子 节点 s/107 (N/m)
    低压转子 2 2.63
    3 2.63
    7,14 0.876
    9 1.75
    高压转子 10 1.75
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    表  4  双转子系统临界转速

    Table  4.   Critical speed of dual-rotor system

    激励转子 模态阶数 Ωl /(r/min) Ωh /(r/min)
    低压转子 1 11946 17919
    2 16827 25241
    高压转子 1 7612 11418
    2 10443 15664
    3 14424 21635
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    表  5  遗传算法关键参数

    Table  5.   Key parameters of genetic algorithm

    参数数值
    遗传代数80
    种群数量5
    种群个体50
    迁移率0.2
    代沟0.9
    交叉概率0.7
    变异概率0.1
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    表  6  轴段参数优化结果

    Table  6.   Optimization results of shaft parameters

    转子 轴段 l/mm r/mm R/mm
    低压转子 1-2 45.97 6.72 15.63
    2-3 59.39 7.57 15.96
    3-4 40.64 6.58 14.76
    4-5 106.68 7.25 13.88
    5-6 78.71 5.90 16.44
    6-7 82.28 6.37 13.88
    7-8 56.94 7.12 15.79
    8-9 48.39 6.90 15.13
    9 0 0 0
    高压转子 10-11 40.89 20.57 24.71
    11-12 65.83 20.88 26.88
    12-13 74.99 18.72 22.93
    13-14 58.56 19.90 27.18
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    表  7  叶盘参数优化结果

    Table  7.   Optimization results of disk parameters

    转子 节点 m/kg Ip/10−4
    (kg·m2
    Id/10−4
    (kg·m2
    低压转子 1 4.62 255.96 127.98
    8 4.04 195.46 97.73
    高压转子 11 3.66 161.56 80.72
    13 2.31 98.67 49.33
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    表  8  支承参数优化结果

    Table  8.   Optimization results of fulcrum parameters

    转子 节点 s/107 (N/m)
    低压转子 2 0.466
    3 7.23
    7,14 5.21
    9 0.906
    高压转子 10 0.05
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    表  9  双转子系统可容度评价函数对比

    Table  9.   Comparison of dual-rotor system tolerability evaluation function

    激励转子 模态 评价函数
    优化前 优化后
    低压转子 1 0.72 0.98
    2 0.89 0.85
    3 0.79 0.92
    高压转子 1 0.77 0.99
    2 0.81 0.87
    3 0.82 0.91
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    表  10  “临界转速裕度”准则下轴段参数设计结果

    Table  10.   Shaft parameters design results under critical speed margin criterion

    转子 轴段 l/mm r/mm R/mm
    低压转子 1-2 42.20 7.48 13.98
    2-3 43.60 7.48 13.98
    3-4 41.16 7.48 14.00
    4-5 71.91 7.48 14.01
    5-6 69.94 7.48 14.23
    6-7 61.71 7.48 14.27
    7-8 48.04 7.48 14.27
    8-9 42.73 7.48 13.87
    9 0 0 0
    高压转子 10-11 45.70 17.36 23.25
    11-12 63.50 17.36 23.28
    12-13 61.65 17.36 23.38
    13-14 41.20 17.36 23.45
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    表  11  “临界转速裕度”准则下叶盘参数设计结果

    Table  11.   Disk parameters design results under critical speed margin criterion

    转子 节点 m/kg Ip/10−4
    (kg·m2
    Id/10−4
    (kg·m2
    低压转子 1 5.39 298.32 149.16
    8 4.12 199.33 99.97
    高压转子 11 3.43 151.31 75.65
    13 2.21 94.28 47.14
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    表  12  “临界转速裕度”准则下支承参数设计结果

    Table  12.   Fulcrum parameters design results under critical speed margin criterion

    转子 节点 s/107 (N/m)
    低压转子 2 0.776
    3 0.204
    7,14 0.177
    9 0.0759
    高压转子 10 2.77
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    表  13  “临界转速裕度”准则下双转子系统临界转速

    Table  13.   Critical speed of dual-rotor system under critical speed margin criterion

    激励转子 模态 Ωl /
    (r/min)
    Ωh /
    (r/min)
    低压转子 1 3809 5714
    2 11670 17505
    3 13301 19951
    高压转子 1 2460 3689
    2 7419 11128
    3 8478 12717
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    表  14  双转子系统附加阻尼

    Table  14.   Added damping of dual-rotor system

    转子 节点 c/(N·s/m)
    低压转子 2 2000
    3 300
    7,14 300
    9 1000
    高压转子 10 2 000
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    表  15  优化结果对比

    Table  15.   Comparison of optimization results

    项目 “临界转速裕度”
    准则设计
    “可容模态”
    优化设计
    变化量/
    %
    轮盘最大振幅/μm 89.63 64.10 −39.83
    轴系总质量/kg 18.06 17.65 −2.32
    支承最大
    外传力/N
    70.33 24.63 −64.98
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  • 收稿日期:  2022-08-27
  • 网络出版日期:  2024-02-21

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