基于應(yīng)變能理論的端齒彎曲剛度及其轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性影響研究

邱欣可，曾 武，高 慶，滿吉鑫

(1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院先進(jìn)能源動力重點(diǎn)實(shí)驗室(工程熱物理研究所)，北京 100190；3.中國科學(xué)院輕型動力創(chuàng)新研究院，北京 100190；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

重型燃?xì)廨啓C(jī)多采用拉桿式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即采用一根位于輪盤中心或多根位于輪盤周向的拉桿[1-3]，各級輪盤之間采用端齒定心傳扭，并在軸向預(yù)緊力的作用下將各級輪盤串聯(lián)拉緊。根據(jù)端齒的結(jié)構(gòu)不同，可以分為Hirth齒與圓弧端齒[4-5]，Hirth齒的齒面為平面，圓弧端齒的齒面為曲面。由于在端齒連接處存在大量的接觸面，由此帶來的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性會導(dǎo)致不可忽略的彎曲剛度損失，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性。因此，端齒彎曲剛度損失問題的研究對轉(zhuǎn)子的安全可靠運(yùn)行有著十分重要的意義。

端齒的剛度損失問題很早就被學(xué)者所關(guān)注，早期的研究以理論分析計算為主，即通過對端齒模型進(jìn)行簡化，得出端齒的連接剛度特性。上世紀(jì)90年代，尹澤勇等[6]提出了端齒梁元模型，即在不考慮摩擦的條件下，端齒與梁單元的剛度矩陣具有相同的形式，并通過端齒梁元模型對某端齒連接轉(zhuǎn)子的固有頻率進(jìn)行了計算，結(jié)果與實(shí)測值符合較好。隨后，在文獻(xiàn)[7]中研究了端齒軸段彎曲剛度及軸向預(yù)緊力的變化對轉(zhuǎn)子的剛度與固有頻率的影響。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元計算研究方法已經(jīng)成為研究轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題的主要手段。Pisani等[8]對比了邊界元與有限元方法的計算結(jié)果，二者結(jié)果相似。而有限元方法相較于邊界元方法在網(wǎng)格劃分等方面具有更好的可操作性，因此后續(xù)研究通常采用有限元方法進(jìn)行計算研究。Richardson等[9]通過三維有限元方法計算得出了端齒的力學(xué)特性，并通過光彈試驗驗證了計算結(jié)果的正確性。

通過三維有限元計算，文獻(xiàn)[10-11]研究了端齒彎曲剛度隨預(yù)緊力與彎矩的變化關(guān)系，得出了端齒彎曲剛度受到預(yù)緊力與彎矩產(chǎn)生的軸向脫開力的相對大小關(guān)系的直接影響的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上分析了彎曲剛度損失對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率的影響。高進(jìn)等[12]通過實(shí)驗分析了預(yù)緊力對端齒彎曲剛度特性的影響，實(shí)驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果吻合較好。葛慶等[13]針對齒數(shù)對端齒彎曲剛度的影響進(jìn)行了研究。

隨著研究的深入，通常需要面對多載荷強(qiáng)耦合的工況，端齒的變形通常難以準(zhǔn)確計算，而應(yīng)變能理論則可以精確地計算出相應(yīng)的剛度。因此，應(yīng)變能理論逐漸被學(xué)者所關(guān)注。李浦等[14]證實(shí)了應(yīng)變能理論在剛度計算上的可行性，并對某轉(zhuǎn)子的軸向與扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了計算研究。

端齒剛度對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響也是一大研究熱點(diǎn)。對于端齒連接的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的計算條件無法對帶有真實(shí)端齒模型的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行計算，尤其是對于多級端齒的轉(zhuǎn)子，計算成本更高，因此目前主要采用文獻(xiàn)[15-16]提出的薄層單元理論，建立端齒的等效彈性模量或等效剛度直徑模型，以分析端齒連接轉(zhuǎn)子的剛度與模態(tài)特性。楊鄭烈等[17]通過建立等軸向剛度的薄層單元研究了不同預(yù)緊力對端齒連接轉(zhuǎn)子模態(tài)特性的影響。然而對于多級端齒連接的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，不同級端齒的影響也各不相同，目前尚未有文獻(xiàn)針對不同級端齒對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響展開研究。

綜上，目前對于端齒彎曲剛度的相關(guān)研究已經(jīng)具有一定的基礎(chǔ)，但基于應(yīng)變能理論的彎曲剛度計算應(yīng)用較少，端齒的彎曲剛度損失對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響研究還不夠完善，尤其是對于多級端齒連接的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性研究較為缺乏。基于上述研究現(xiàn)狀，本文通過應(yīng)變能理論對某H級重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子端齒剛度及轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性進(jìn)行了研究。

1 端齒的結(jié)構(gòu)與參數(shù)化建模

如圖1所示，該型燃?xì)廨啓C(jī)各級壓氣機(jī)盤、渦輪盤和前后轉(zhuǎn)接盤之間以端齒連接，共有24級端齒，端齒種類為Hirth齒。其中部分級端齒結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，故首先對端齒進(jìn)行參數(shù)化建模，以方便獲得具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的端齒模型并建立相應(yīng)的轉(zhuǎn)子模型。

根據(jù)端齒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其齒面為三角形。圖2為端齒不同方向視圖。

圖2中，α為齒頂角，R為齒底倒圓半徑，H為三角形高，L1為齒高，L2為齒根高，c為齒頂間隙，a1與a2分別為端齒內(nèi)徑與外徑處齒寬，W為齒頂斜角，R1、R2分別為端齒內(nèi)半徑與外半徑。圖2(a)中虛線為端齒節(jié)線，圖2(c)中虛線為端齒軸線，齒數(shù)Z未在圖中標(biāo)出。

(a) 帶有端齒的轉(zhuǎn)子模型

(a) 齒面圖

根據(jù)端齒結(jié)構(gòu)參數(shù)間的相互關(guān)系，部分參數(shù)之間可以相互確定，如：

(1)

(2)

(3)

c=R

(4)

通過端齒結(jié)構(gòu)參數(shù)間的幾何關(guān)系，編寫基于UG的宏文件，實(shí)現(xiàn)了端齒的參數(shù)化建模，即可以任意地輸入端齒關(guān)鍵參數(shù)并快速得到相應(yīng)的端齒幾何模型。圖3是齒數(shù)為120、齒頂角為60 °、齒底倒圓半徑為5 mm的端齒幾何模型。

圖3 端齒三維幾何模型

2 端齒彎曲剛度研究

2.1 應(yīng)變能理論

由于端齒的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在端齒發(fā)生彎曲變形時，無法得到其彎曲剛度的理論解，而應(yīng)變能與剛度的關(guān)系較為簡單，且應(yīng)變能是一個標(biāo)量，不同載荷所產(chǎn)生的應(yīng)變能可以簡單相加，因此在復(fù)雜結(jié)構(gòu)或受到多載荷的情況下能夠有效地簡化計算。

當(dāng)物體在受到壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷作用時，物體會發(fā)生形變，從而產(chǎn)生應(yīng)變能。而由于不同物體的剛度不同，因此產(chǎn)生的應(yīng)變不同，從而導(dǎo)致應(yīng)變能的大小也不同。根據(jù)應(yīng)變能的定義，應(yīng)變能U為應(yīng)力σ在應(yīng)變微元dε下的體積分：

U=?σdε

(5)

對于端齒結(jié)構(gòu)，其截面為圓環(huán)，若忽略端齒的不連續(xù)面將其視為剛性一體化連接模型，則可以得出該圓環(huán)模型受到軸向預(yù)緊力與彎矩載荷時的應(yīng)變能。根據(jù)式(5)，在線彈性范圍內(nèi)，當(dāng)模型受到軸向力時，應(yīng)變能U1可以寫為：

(6)

式中：F為圓環(huán)模型受到的軸向力；L為圓環(huán)模型的軸向長度；E為材料的彈性模量；A為圓環(huán)模型側(cè)面圓環(huán)的面積。

當(dāng)模型受到彎矩載荷作用時，應(yīng)變能U2可以寫為：

(7)

式中：M為圓環(huán)模型受到的彎矩載荷；Id為繞某一直徑的慣性矩；L、E與式(6)中相同。

由式(7)可以看出，彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變能與其彎曲剛度成反比，即應(yīng)變能越大，彎曲剛度越小。若考慮實(shí)際端齒模型，當(dāng)其受到軸向預(yù)緊力與彎矩同時作用時，可采用三維有限元計算的方法求得應(yīng)變能。若端齒模型在軸向預(yù)緊力與彎矩作用下產(chǎn)生的總應(yīng)變能為Ut，預(yù)緊力所產(chǎn)生的應(yīng)變能為Upre，彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變能為UM，則有：

Ut=Upre+UM

(8)

根據(jù)應(yīng)變能與剛度的關(guān)系，結(jié)合有限元計算所得出的端齒應(yīng)變能，即可得出對應(yīng)的彎曲剛度。對于剛性一體化模型，若其彎曲剛度為K0，當(dāng)受到彎矩載荷時，其應(yīng)變能U0可以通過式(7)直接計算得出。對于實(shí)際端齒，則可通過有限元計算結(jié)果與式(8)得出由彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變能UM。由此，可以通過剛性一體化模型和端齒實(shí)際模型的應(yīng)變能之比來定義彎曲剛度系數(shù)β：

(9)

式中：K為端齒實(shí)際彎曲剛度。

通過彎曲剛度系數(shù)β來表征實(shí)際狀態(tài)下彎曲剛度的損失情況。

端齒在受到軸向預(yù)緊力與彎矩載荷作用時，軸向預(yù)緊力Fa在端齒端面產(chǎn)生的名義壓應(yīng)力：

(10)

式中：Ac為端齒側(cè)面面積。

(11)

端齒受到彎矩載荷M而產(chǎn)生的軸向脫開應(yīng)力：

(12)

式中：R2為端齒的外半徑；Id為端齒繞某一直徑的慣性矩。

定義無量綱載荷因子γ：

(13)

式中：σ為彎矩產(chǎn)生的軸向脫開應(yīng)力；P為軸向預(yù)緊力產(chǎn)生的名義壓應(yīng)力。

顯然，端齒接觸面狀態(tài)受到無量綱載荷因子γ的影響，因此將針對γ與彎曲剛度的關(guān)系展開研究分析。

2.2 有限元計算分析

基于上述應(yīng)變能理論分析，可以計算出端齒變形時的應(yīng)變能，進(jìn)而得出端齒的彎曲剛度特性。

選取某一級端齒為研究對象，材料彈性模量E=208 GPa，外直徑D2=1 556 mm，內(nèi)直徑D1=1 416 mm。對端齒采用掃掠劃分的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為20節(jié)點(diǎn)六面體單元solid186。端齒嚙合面采用frictional接觸方式。有限元網(wǎng)格模型如圖4(a)所示，載荷邊界條件如圖4(b)所示。端齒兩側(cè)端面采用多點(diǎn)約束MPC方式與中心節(jié)點(diǎn)綁定在一起，并在其中一側(cè)中心節(jié)點(diǎn)上分載荷施加軸向預(yù)緊力Fa(圖4(b)中A位置)與彎矩載荷M(圖4(b)中B位置)，固定彎矩大小M=1×106N·m，另一側(cè)施加固定約束(圖4(b)中C位置)。在不同預(yù)緊力條件下計算端齒在對應(yīng)載荷條件下彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變能UM。同時，通過式(7)求得剛性一體化整體軸段模型在相同彎矩下所產(chǎn)生的應(yīng)變能U0。根據(jù)式(9)，將U0與UM相比，得出端齒的彎曲剛度系數(shù)β，并進(jìn)一步得出端齒的實(shí)際彎曲剛度值，為后續(xù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)計算做好鋪墊。

圖4 端齒有限元模型

2.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)2.1節(jié)所述應(yīng)變能理論分析與2.2節(jié)所建立的端齒有限元模型，得出相應(yīng)的應(yīng)變能與彎曲剛度系數(shù)。計算結(jié)果如表1與圖5所示。

表1 不同無量綱載荷因子γ下彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變能

圖5 端齒彎曲剛度系數(shù)隨量綱載荷因子γ變化曲線

由表1，當(dāng)無量綱載荷因子γ<1時，端齒由彎矩所產(chǎn)生的應(yīng)變能幾乎不發(fā)生變化；而當(dāng)γ>1時，應(yīng)變能迅速增大，即如圖5所示的變化曲線。計算結(jié)果與文獻(xiàn)[10-12]中所反映出的規(guī)律十分吻合，均呈現(xiàn)出當(dāng)預(yù)緊力大于彎矩產(chǎn)生的軸向脫開力時(完全預(yù)緊時，γ<1)，彎曲剛度基本保持穩(wěn)定；而當(dāng)預(yù)緊力小于彎矩產(chǎn)生的脫開力時(γ>1)，彎曲剛度迅速下降。

通過上述計算，可以反映出應(yīng)變能理論在彎曲剛度的計算上有著方便簡潔的優(yōu)點(diǎn)。對于多載荷的情況，可以利用應(yīng)變能的標(biāo)量性來簡化計算與分析。而對于復(fù)雜的非連續(xù)結(jié)構(gòu)也可以通過應(yīng)變能來體現(xiàn)其彎曲剛度損失情況，具有一定的工程應(yīng)用價值。

3 端齒彎曲剛度損失對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響

3.1 端齒簡化模型

以研究的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子為例，該轉(zhuǎn)子共有24級端齒，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有的條件已無法計算，故需要對端齒進(jìn)行簡化。

根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]提出的薄層單元理論，可以將端齒簡化為圓環(huán)結(jié)構(gòu)(如圖6所示)，簡化過程遵循等質(zhì)量、等彎曲剛度的原則。圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)外徑、密度、軸段長度均與實(shí)際端齒相同，以保證等質(zhì)量原則；通過調(diào)節(jié)圓環(huán)的彈性模量以保證等彎曲剛度原則。需要說明的是，在不考慮陀螺力矩與阻尼的前提下，轉(zhuǎn)子的剛度與模態(tài)特性完全由系統(tǒng)的剛度矩陣與質(zhì)量矩陣決定，因此此種簡化方式可以保證剛度與模態(tài)特性的可靠性。

圖6 端齒簡化模型

為了保證端齒簡化模型與實(shí)際端齒模型具有相同的彎曲剛度，在密度、內(nèi)外徑與軸段長度均與實(shí)際端齒模型相等的情況下，圓環(huán)結(jié)構(gòu)的等效彈性模量可以由式(14)得出：

(14)

式中：Eeq為等效彈性模量；K為端齒實(shí)際彎曲剛度。

根據(jù)轉(zhuǎn)子端齒齒形參數(shù)，齒數(shù)Z=120，齒頂角α=60 °，齒底倒圓半徑R=5 mm。結(jié)合第2章計算分析，得出端齒在完全預(yù)緊狀態(tài)下的彎曲剛度，進(jìn)而求得端齒簡化模型的等效彈性模量Eeq。各級端齒結(jié)構(gòu)參數(shù)與對應(yīng)的簡化模型的等效彈性模量如表2所示。

表2 不同級端齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)與對應(yīng)的等效彈性模量

3.2 端齒剛度損失對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響

借助3.1所建立的端齒簡化模型，對端齒連接轉(zhuǎn)子的模態(tài)特性進(jìn)行研究。

對于如圖7所示的多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言，根據(jù)轉(zhuǎn)子動力學(xué)原理[19]，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為Ω時，將輪盤盤心O′向xoz與yoz平面投影，并建立坐標(biāo)系。第j個圓盤慣性力主向量Rj與慣性力主矩向量Lj在ox與oy軸上的分量為Rjx、Rjy、Ljx與Ljy：

圖7 輪盤-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)理論模型

(15)

式中：e為偏心距；Φ為偏心角；Jd為繞直徑的轉(zhuǎn)動慣量；Jp為繞圓心的轉(zhuǎn)動慣量；m為輪盤的質(zhì)量；u與θ分別為線位移與角位移。下標(biāo)變量中：j表示第j個輪盤的參數(shù)；x、y分別表示該物理量在x或y方向的分量。變量的一階與二階導(dǎo)數(shù)均指的是對時間的導(dǎo)數(shù)。

根據(jù)D’Alembert原理，x、y方向的線位移uxi、uyi與角位移θxi、θyi為：

(16)

(17)

式中：{M}為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；{J}為轉(zhuǎn)動慣量矩陣；{K}為剛度矩陣；{u}為位移矩陣；{P(t)}為離心力載荷矩陣。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同時，式(17)的解也不同，而當(dāng)轉(zhuǎn)子處于某一特定轉(zhuǎn)速Ω時，轉(zhuǎn)子振動變形處于極大值，故此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速Ω為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。根據(jù)式(17)解的性質(zhì)，最大振幅對應(yīng)的轉(zhuǎn)速只與剛度、質(zhì)量與阻尼特性有關(guān)，而與外載荷{P(t)}無關(guān)。因此在求解轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時不需要施加不平衡載荷，且在不考慮質(zhì)量與阻尼變化的前提下，不同端齒結(jié)構(gòu)參數(shù)與預(yù)緊工況的改變對端齒彎曲剛度的影響也完全能通過等效模型的彈性模量體現(xiàn)。

根據(jù)轉(zhuǎn)子的約束行為，建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元模型。轉(zhuǎn)子采用1-0-1支承方案，前軸頸處采用可傾瓦推力軸承約束軸向、周向和徑向自由度，后軸頸處約束徑向和周向自由度。各級端齒簡化模型與輪盤采用綁定約束。定義彎曲剛度損失系數(shù)λ：

λ=1-β

(18)

通過調(diào)節(jié)端齒等效模型的彈性模量可模擬端齒的不同彎曲剛度損失系數(shù)。圖8為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元網(wǎng)格模型。在此基礎(chǔ)上計算轉(zhuǎn)子的前兩階彎曲臨界轉(zhuǎn)速與振型(其他階次模態(tài)受彎曲剛度影響較小，故已省去)，臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果如表3所示，振型云圖如圖9所示。

圖8 轉(zhuǎn)子有限元網(wǎng)格模型

(a) 一階彎曲模態(tài)振型

表3 端齒不同彎曲剛度損失系數(shù)下轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速

表3給出了端齒在不同彎曲剛度損失系數(shù)下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一、二階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，振型如圖9所示。當(dāng)彎曲剛度損失達(dá)到50%時，一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速降低了8.2%，二階彎曲臨界轉(zhuǎn)速下降了8.8%，且表現(xiàn)為隨著端齒彎曲剛度損失系數(shù)增大，前兩階彎曲臨界轉(zhuǎn)速呈加速下降趨勢。而端齒的彎曲剛度損失對轉(zhuǎn)子的振型幾乎沒有影響。需要注意的是，該燃?xì)廨啓C(jī)工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，二階彎曲臨界轉(zhuǎn)速已經(jīng)遠(yuǎn)超過其工作轉(zhuǎn)速，故后續(xù)僅分析一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速。

3.3 不同級端齒剛度損失對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度與模態(tài)特性的影響

對于多級端齒連接的拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，每一級端齒的位置、尺寸大小不同，對轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響也不相同，故需要針對不同級端齒對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響展開研究。

首先采用簡支梁模型進(jìn)行理論推導(dǎo)，定性地確定不同級端齒對轉(zhuǎn)子剛度特性影響分布，在此基礎(chǔ)上通過有限元計算分析轉(zhuǎn)子模態(tài)特性的變化。采用圖10所示的簡支梁來近似模擬轉(zhuǎn)子，前支點(diǎn)為固定約束，后支點(diǎn)為徑向、周向約束，均布載荷F0=ql0代表轉(zhuǎn)子所受的重力。

圖10 轉(zhuǎn)子對應(yīng)的簡支梁模型

圖中，q為載荷集度，l0為梁的軸向長度，Mr為固定約束處的支反彎矩，F(xiàn)1、F2分別為前、后支點(diǎn)處支反力。根據(jù)材料力學(xué)理論可推導(dǎo)出梁在支座處的支反力，進(jìn)而得出梁的彎矩方程M(d)為：

(19)

式中：d為所研究的點(diǎn)距離梁左端點(diǎn)(前支點(diǎn))的距離。

梁上任意一小微元的應(yīng)變能u(d)為：

(20)

式中：E為彈性模量；I為截面慣性矩。

將式(19)代入式(20)，得到不同位置處的應(yīng)變能分布函數(shù)：

(21)

顯然，當(dāng)梁的約束行為不同時，支反力、彎矩方程均會不同，從而引起應(yīng)變能函數(shù)不同，進(jìn)而對該分析的結(jié)果產(chǎn)生影響。

在上述理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行對應(yīng)的有限元計算分析。圖11給出了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力載荷作用下各級端齒的應(yīng)變能情況。

圖11 不同級端齒在重力作用下的彎曲應(yīng)變能

由圖11中可以看出，在重力載荷作用下，1級端齒的應(yīng)變能最大，4級端齒應(yīng)變能最小，14級端齒處應(yīng)變能取得了極大值。有限元計算結(jié)果與上述理論分析較為吻合。因此，著重研究1級、4級和14級端齒對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度與動力學(xué)特性的影響。分別計算了當(dāng)1級、4級、14級端齒的彎曲剛度系數(shù)β達(dá)到0.5而其他級端齒不發(fā)生彎曲剛度損失時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度與模態(tài)特性變化。計算結(jié)果如表4、表5所示。

表4 不同級端齒彎曲剛度損失時轉(zhuǎn)子彎曲剛度

表5 不同級端齒彎曲剛度損失時轉(zhuǎn)子一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速

由表4可以看出，當(dāng)僅有某一級端齒的彎曲剛度降為整體軸段剛度的50%時，1級端齒對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度影響最大，而4級端齒影響最小。對比表5與表3中剛性一體化轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速結(jié)果可以看出，1級端齒彎曲剛度發(fā)生損失時，臨界轉(zhuǎn)速降低幅度最大，14級端齒次之，4級端齒變化幅度最小。計算結(jié)果與上述理論分析結(jié)果吻合較好，即1級端齒的彎曲應(yīng)變能較大，彎曲剛度較小，且當(dāng)其彎曲剛度發(fā)生變化時，其應(yīng)變能變化量相較于其他級端齒更大，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度的影響也越大。4級端齒則相反。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在1級端齒處，由于靠近軸承約束處，該處的彎曲變形相對較大，因此彎曲剛度較小，而在14級端齒處，由于靠近轉(zhuǎn)子中部，因彎曲產(chǎn)生的橫向撓度較大，也會使得彎曲剛度較低。因此，對于該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，應(yīng)著重注意1級與14級端齒的接觸與剛度情況，保證良好的接觸與足夠的彎曲剛度。

4 結(jié)論

本文針對某型號燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子端齒結(jié)構(gòu)的彎曲剛度展開研究，得出以下結(jié)論：

(1) 通過應(yīng)變能理論計算所得到的彎曲剛度結(jié)果與文獻(xiàn)[10-11]中研究結(jié)果所反映出的規(guī)律吻合較好。在完全預(yù)緊狀態(tài)，應(yīng)變能保持穩(wěn)定。而當(dāng)預(yù)緊力不足以抵抗彎矩產(chǎn)生的軸向脫開力時，應(yīng)變能急劇上升。應(yīng)變能越大表明剛度越低，可以直觀地反映端齒的彎曲剛度水平。在實(shí)際工程中對于多載荷條件與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的彎曲剛度計算上能夠起到一定的簡化作用。

(2) 通過建立端齒等效模型，研究了端齒不同彎曲剛度損失比例對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)特性的影響，即隨著剛度損失增大，轉(zhuǎn)子的彎曲模態(tài)對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速呈加速下降趨勢。對于該轉(zhuǎn)子而言，端齒彎曲剛度修正比例達(dá)到50%時，相較于剛性一體化轉(zhuǎn)子中其一階臨界轉(zhuǎn)速會下降8.2%。

(3) 通過簡支梁模型與應(yīng)變能理論定性地分析了轉(zhuǎn)子不同級端齒對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度與模態(tài)特性的影響，并通過三維有限元計算方法得出了與理論分析相吻合的結(jié)論。對于所研究轉(zhuǎn)子，1級端齒對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性影響最大，4級端齒影響最小。因此在工程設(shè)計中應(yīng)對相應(yīng)級端齒進(jìn)行特別處理以提高其彎曲剛度。且端齒彎曲剛度損失對轉(zhuǎn)子模態(tài)特性的影響主要體現(xiàn)在一階彎曲模態(tài)上，一階臨界轉(zhuǎn)速的降低比例也更大。后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注在一階臨界轉(zhuǎn)速處轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)情況。

(4) 對于不同約束或支承方案的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于支承不同，約束處支反力也不同，因此導(dǎo)致應(yīng)變能函數(shù)不同，進(jìn)而使得不同級端齒對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性影響也不同。