本發明涉及航空發動機，尤其是涉及一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法。

背景技術：

1、轉靜間隙大小是影響航空發動機整機氣動熱力效率和安全性的重要因素，復雜工作載荷誘發的轉子變形及其與靜子變形的不協調、不同步是導致轉靜間隙改變的主要原因，因此在設計階段高效準確計算轉子變形是實現間隙預測的重要前提之一。航空發動機工作載荷極為復雜，包括機動過載產生的慣性載荷、溫度載荷、旋轉離心載荷、氣動載荷及各類振動載荷等，這其中影響發動機轉子變形的載荷因素首推旋轉離心載荷、溫度載荷及機動過載慣性載荷。旋轉離心載荷和溫度載荷主要是引起的葉盤構件變形，與構件結構特征參數有關；而機動過載慣性載荷導致的變形則與轉子剛度分布密切相關。本研究報告關注的是旋轉離心載荷及溫度載荷作用下葉盤構件變形預測及模型建立問題。

2、目前，國內外計算轉子靜變形及間隙變化的主要手段包括解析方法和有限元方法。由于解析方法通常需要對結構進行大幅簡化，雖然計算效率較高，但預測精度極為有限。目前有限元分析方法是工程中預測轉子變形和轉靜間隙的主流方法，大都采用的是三維高保真建模，在此基礎上通過周期對稱特征進行一定的降維處理，該方法雖然較為可靠，但計算量較大、計算時間較長、計算成本較高，不適用設計階段的快速迭代優化。除此之外，也衍生出基于二維軸對稱模型的分析方法，該種方法能夠快速計算得到結構變形和應力，然而其必須忽略葉片自身結構、簡化榫頭榫槽結構并將周期對稱簡化為軸對稱，在計算葉尖變形時通常會產生較大誤差。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，在葉盤結構參數化的基礎上，對葉片采用解析方法建立葉身伸長/根部離心載荷與葉片結構參數和載荷參數之間的顯式關系，實現葉片變形及其載荷的快速計算；對輪盤則采用軸對稱有限元法，建立基于apdl語言的軸對稱有限元模型及載荷自動等效施加技術，實現輪緣變形的快速計算。

2、為實現上述目的，本發明提供了一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，包括以下步驟：

3、s1、建立葉片解析模型，輸入葉片幾何特征參數、材料參數和載荷參數求解離心、溫度載荷以及二者耦合作用下葉片的變形以及葉片離心載荷；

4、s2、葉片產生的離心載荷沿軸向分布函數以離散形式施加到輪盤平面模型的輪緣節點上；

5、s3、建立軸對稱有限元模型，輸入輪盤幾何特征參數、材料參數和載荷參數，施加溫度載荷和離心載荷求解盤緣變形情況；

6、s4、將葉片解析法求得的葉身變形以及軸對稱輪盤有限元法求得的盤緣變形結合，得到相應工作條件下的整體葉盤結構的葉尖變形，并對榫連接引起的變形進行修正。

7、優選的，s1中離心載荷包括在葉高z方向的離心拉伸應力fblade以及離心力彎矩my1；

8、離心拉伸應力fblade的計算公式如下所示：

9、

10、其中，ρ為密度，ω為轉速，a(z)為葉片沿葉高方向的橫截面面積變化規律，fcrown為葉冠產生的離心力；

11、對于帶有葉冠的渦輪轉子葉片，葉冠產生的離心力為fcrown，計算公式如下所示：

12、fcrown＝ρω2vcrownzcrown；

13、其中，vcrown為葉冠體積，zcrown為葉冠葉高方向坐標；

14、離心力彎矩my1的計算公式如下所示：

15、

16、其中，zbt和zbr分別為葉尖和葉根的葉高方向坐標，x(z)為葉高z與截面形心軸向x坐標的函數關系。

17、優選的，橫截面a(z)處受到界面以上部分的離心力：

18、

19、葉片由于離心拉伸應力的變形δl1如下所示：

20、

21、其中，e為彈性模量；

22、葉片在橫截面上溫度相同，隨葉高z方向溫度有變化，令任意薄截面a(z)的溫度為t(z)，則整個葉身部分由于溫度升高引起的徑向變形為δlt，計算公式如下所示：

23、

24、其中，α(z)為葉片材料的線膨脹系數，t0為基準溫度；

25、由于溫度的影響，葉片材料的彈性模量e不再是常數，隨葉高z方向，葉片的彈性模量為e(z)，則葉片在離心和溫度載荷下的綜合變形δlz&t為：

26、

27、優選的，s2中對于葉片產生的離心載荷，以分布力的形式作用于輪盤，由于葉片結構特征的復雜性，該分布力并非理想的均勻分布，葉片離心載荷密度沿軸向分布的函數為f(x)，需要滿足載荷分布對應的合力和合力矩等于葉片產生的合力f與合力矩mz：

28、

29、選擇一種分布函數編程求解合力f與合力矩mz的方程，將求解的結果以離散形式施加到輪盤平面模型的輪緣節點上，在網格足夠密的情況下，可以認為各節點軸向等距分布，節點總數量共n，對應的軸向坐標為xi(i＝1,2,…,n)，則可得到各個節點上的載荷值fi為：

30、

31、優選的，s3中求離心載荷下輪盤徑向變形時，向輪盤施加轉動角速度，向盤緣各節點施加葉片產生的離心載荷；求溫度載荷下輪盤徑向變形時，向輪盤盤緣盤心組件分別施加溫度載荷；求離心載荷與溫度共同作用下輪盤徑向變形時，共同施加離心載荷和溫度載荷。

32、優選的，s4中以實際榫連接結構為對象，通過建立考慮榫連接界面接觸的三維實體有限元模型，計算其變形；另一方面，忽略榫連接接觸界面影響并填充榫頭榫槽結構的縫隙，將其處理為整體葉盤結構，計算其變形；通過對比兩種模型的變形結果，開展榫連接結構對葉尖變形的影響分析；求得整體葉盤以及榫連接葉盤葉尖徑向變形平均值δltenon和δlblisk，最終求得修正系數k2的范圍，如下所示：

33、δltenon＝k2δlblisk。

34、因此，本發明采用上述一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，在葉盤結構參數化的基礎上，對葉片采用解析方法建立葉身伸長/根部離心載荷與葉片結構參數和載荷參數之間的顯式關系，實現葉片變形及其載荷的快速計算；對輪盤則采用軸對稱有限元法，建立基于apdl語言的軸對稱有限元模型及載荷自動等效施加技術，實現輪緣變形的快速計算。

35、下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

技術特征：

1.一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，其特征在于：s1中離心載荷包括在葉高z方向的離心拉伸應力fblade以及離心力彎矩my1；

3.根據權利要求2所述的一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，其特征在于：橫截面a(z)處受到界面以上部分的離心力：

4.根據權利要求1所述的一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，其特征在于：s2中對于葉片產生的離心載荷，以分布力的形式作用于輪盤，由于葉片結構特征的復雜性，該分布力并非理想的均勻分布，葉片離心載荷密度沿軸向分布的函數為f(x)，需要滿足載荷分布對應的合力和合力矩等于葉片產生的合力f與合力矩mz：

5.根據權利要求1所述的一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，其特征在于：s3中求離心載荷下輪盤徑向變形時，向輪盤施加轉動角速度，向盤緣各節點施加葉片產生的離心載荷；求溫度載荷下輪盤徑向變形時，向輪盤盤緣盤心組件分別施加溫度載荷；求離心載荷與溫度共同作用下輪盤徑向變形時，共同施加離心載荷和溫度載荷。

6.根據權利要求1所述的一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，其特征在于：s4中以實際榫連接結構為對象，通過建立考慮榫連接界面接觸的三維實體有限元模型，計算其變形；另一方面，忽略榫連接接觸界面影響并填充榫頭榫槽結構的縫隙，將其處理為整體葉盤結構，計算其變形；通過對比兩種模型的變形結果，開展榫連接結構對葉尖變形的影響分析；

技術總結
本發明公開了一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，屬于航空發動機技術領域，包括以下步驟：S1、建立葉片解析模型，輸入葉片參數求解離心、溫度載荷以及二者耦合作用下葉片的變形以及葉片離心載荷；S2、葉片產生的離心載荷沿軸向分布函數以離散形式施加到輪盤平面模型的輪緣節點上；S3、建立軸對稱有限元模型，求解盤緣變形情況；S4、將葉片解析法求得的葉身變形以及軸對稱輪盤有限元法求得的盤緣變形結合，得到相應工作條件下的整體葉盤結構的葉尖變形，并對榫連接引起的變形進行修正。本發明采用上述的一種考慮離心溫度耦合作用的轉子葉盤變形高效預測方法，實現葉片變形及其載荷的快速計算，實現輪緣變形的快速計算。

技術研發人員：于平超,張家鍔,蔣科,向振洋,周澤,張大義
受保護的技術使用者：南京航空航天大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28