一种静子气动扭矩计算方法与流程

本发明涉及航空发动机及燃气轮机，具体是一种静子气动扭矩计算方法。

背景技术：

1、在航空发动机及燃气轮机研制过程中，需要对静子气动扭矩进行多轮迭代计算，为整机变形、强度分析提供重要输入。目前，各科研院所通过有限元软件计算静子气动扭矩，其存在计算周期长、计算工作量大等缺陷，难以满足快速迭代计算的设计需求。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明提供了一种静子气动扭矩计算方法，解决现有技术存在的计算周期长、计算工作量大等问题。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

3、一种静子气动扭矩计算方法，包括以下步骤：

4、s1，计算各级静子叶片气动扭矩；

5、s2，分析扭矩传递路径；

6、s3，计算传递路径抗扭刚度；

7、s4，将发动机的计算模型简化为一维梁单元计算模型；

8、s5，计算一维梁单元模型各节点所受的扭矩。

9、作为一种优选的技术方案，步骤s1包括以下步骤：

10、s11，将叶片划分为p个微元面，并利用s2数据计算各微元面动量矩；

11、s12，求和得到进、出口气流总动量矩；

12、s13，由进口动量矩减出口动量矩得到叶片扭矩。

13、作为一种优选的技术方案，步骤s2中，静子扭矩传递路径为悬臂约束和/或复合约束；悬臂约束指：若静子构件的一端扭转自由度处于约束状态，另一端扭转自由度处于自由状态，则扭矩沿着静子构件从自由端单向传递至约束端；复合约束指：若静子构件的两端的扭转自由度皆处于约束状态，则扭矩将沿着静子构件从扭矩产生源分别向两端传递。

14、作为一种优选的技术方案，步骤s3中，对于非旋转体机匣而言，采用有限元软件计算机匣抗扭刚度；对于旋转体锥形或直筒型机匣而言，采用梁单元简化模型计算机匣抗扭刚度。

15、作为一种优选的技术方案，采用有限元软件进行计算机匣抗扭刚度包括以下步骤：

16、sa31，约束机匣一个端面上节点的周向及轴向自由度，放开径向自由度，允许机匣在扭矩的作用下产生形状的改变；

17、sa32，在另一端面的中心建立质量点mass21，使其与该端面上所有节点的周向及轴向自由度耦合，放开径向自由度；

18、sa33，在质量点mass21上施加扭矩：

19、在完成有限元仿真计算后，提取被扭转端面上节点的周向位移uy，uy与半径r的比值即为扭转角α，施加的扭矩m与扭转角α的比值即为扭转刚度g，见式(4)、式(5)：

20、

21、

22、采用梁单元简化模型进行计算机匣抗扭刚度时，若机匣结构为直筒型机匣而言，利用公式(6)计算机匣抗扭刚度：

23、

24、式中，i表示机匣的编号，gi表示第i段机匣的抗扭刚度，g为材料剪切模量，r表示圆环截面的外径，r表示圆环截面的内径，l表示机匣轴向长度；

25、若机匣结构为旋转体锥形机匣，利用公式(7)计算机匣抗扭刚度：

26、

27、式中，i表示机匣的编号，gi表示第i段机匣的抗扭刚度，g为材料剪切模量，r表示小端圆环截面的外径，r表示小端圆环截面的内径，θ表示机匣锥角，l表示机匣轴向长度。

28、作为一种优选的技术方案，步骤s3中，在计算得到各段机匣的扭转刚度后，按扭转刚度串联计算方法或扭转刚度并联计算方法对传递路径上机匣刚度进行等效计算。

29、作为一种优选的技术方案，扭转刚度串联计算方法、扭转刚度并联计算方法分别为：

30、扭转刚度串联计算方法：

31、若扭矩传递路径由n段机匣串联而成，第1段机匣一端固定约束，则第n段机匣另一端相对固定约束端的抗扭刚度为：

32、

33、式中，i表示机匣的段编号，n表示扭矩传递路径上机匣的总段数，gi表示第i段机匣的抗扭刚度；

34、扭转刚度并联计算方法：

35、若扭矩传递路径由n段机匣并联而成，各段机匣抗扭刚度为gi，各段机匣一端固定约束，另一端相互关联，假定关联点为r，则关联点r相对固定约束端的抗扭刚度为：

36、

37、式中，i表示机匣的段编号，n表示机匣的总段数，gi表示第i段机匣的抗扭刚度。

38、作为一种优选的技术方案，步骤s3中：

39、对于并联传递路径而言，按刚度权重分配扭矩，各并联支路传递扭矩mi为：

40、

41、对于扭矩产生源两侧传递路径而言，按两侧刚度权重分配扭矩，两侧分配扭矩为：

42、

43、

44、其中，m表示扭矩产生源处的扭矩值，g1表示一侧抗扭刚度，g2表示另一侧抗扭刚度，m1表示一侧所承受的扭矩值，m2表示另一侧所承受的扭矩值。

45、作为一种优选的技术方案，步骤s4中，简化时，采用如下方法中的一种或多种：

46、a)在叶片气动扭矩加载处设置节点；

47、b)在机匣安装边处设置节点；

48、c)对于旋转体机匣而言，若用一维梁单元模型计算机匣刚度，在机匣截面轮廓尺寸突变处设置节点；

49、d)若发动机含有3处及以上固定约束，则将并联支路进行等效转换，直至计算模型只包含2处固定约束。

50、作为一种优选的技术方案，步骤s5中：

51、在一维梁单元计算模型中，若对于任意节点而言，在各静子叶片气动扭矩共同作用下的变形量为β，所受扭矩值为m；在某静子叶片气动扭矩单独作用下的变形量为βi，所受扭矩值为mi，则存在如下关系：

52、

53、

54、其中，i表示在发动机所承受气动扭矩的编号，m表示在发动机所承受气动扭矩的个数。

55、本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

56、本发明将发动机复杂的三维计算模型简化为“一维梁单元计算模型”后，使建模周期显著缩短，计算效率显著提高，同时计算结果满足工程精度要求，满足了静子气动扭矩快速且准确迭代计算的设计需求。

技术特征：

1.一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，步骤s1包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，步骤s2中，静子扭矩传递路径为悬臂约束和/或复合约束；悬臂约束指：若静子构件的一端扭转自由度处于约束状态，另一端扭转自由度处于自由状态，则扭矩沿着静子构件从自由端单向传递至约束端；复合约束指：若静子构件的两端的扭转自由度皆处于约束状态，则扭矩将沿着静子构件从扭矩产生源分别向两端传递。

4.根据权利要求1所述的一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，步骤s3中，对于非旋转体机匣而言，采用有限元软件计算机匣抗扭刚度；对于旋转体锥形或直筒型机匣而言，采用梁单元简化模型计算机匣抗扭刚度。

5.根据权利要求4所述的一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，采用有限元软件进行计算机匣抗扭刚度包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，步骤s3中，在计算得到各段机匣的扭转刚度后，按扭转刚度串联计算方法或扭转刚度并联计算方法对传递路径上机匣刚度进行等效计算。

7.根据权利要求6所述的一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，扭转刚度串联计算方法、扭转刚度并联计算方法分别为：

8.根据权利要求7所述的一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，步骤s3中：

9.根据权利要求1所述的一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，步骤s4中，简化时，采用如下方法中的一种或多种：

10.根据权利要求1至9任一项所述的一种静子气动扭矩计算方法，其特征在于，步骤s5中：

技术总结本发明涉及航空发动机及燃气轮机技术领域，公开了一种静子气动扭矩计算方法，包括以下步骤：S1，计算各级静子叶片气动扭矩；S2，分析扭矩传递路径；S3，计算传递路径抗扭刚度；S4，将发动机的计算模型简化为一维梁单元计算模型；S5，计算一维梁单元模型各节点所受的扭矩。本发明解决了现有技术存在的计算周期长、计算工作量大等问题。技术研发人员：伏宇,郭令,邵剑波,王丹丹,董瀚斌,许亮亮,马波,惠广林受保护的技术使用者：中国航发四川燃气涡轮研究院技术研发日：技术公布日：2024/8/1