Способ определения форм и частот собственных колебаний вращающегося ротора
Владельцы патента RU 2244279:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (RU)
Изобретение относится к способам определения динамических характеристик вращающихся роторов и может быть использовано в газотурбостроении и других отраслях машиностроения, использующих вращающиеся роторы с неравномерно распределенной массой по длине ротора. Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа учета действия гироскопических моментов от вращающихся дисков при определении вибрационных характеристик невращающегося ротора. Для достижения данной задачи определяют формы и частоты собственных колебаний невращающегося ротора с дисками с учетом влияния гироскопических моментов от вращающихся дисков. для этого строят его трехмерную геометрическую модель, разбивают ее на конечные элементы и путем расчета определяют формы и частоты собственных колебаний. В месте крепления дисков к невращающемуся ротору прикладывают пары сил, моменты которых равны гироскопическим моментам от вращающихся дисков, действующим на ротор. 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к способам определения динамических характеристик вращающихся роторов и может быть использовано в газотурбостроении и других отраслях машиностроения, использующих вращающиеся роторы с неравномерно распределенной массой по длине ротора.
Известен способ определения динамических характеристик вращающегося ротора, при котором ротор с дисками рассматривают как единую систему (Маркович Г.М., Малинкина Н.А. Технический отчет, Инв. №8900, “Расчет собственных частот изгибных колебаний вращающихся роторов на жестких и упругих опорах”, ЦИАМ, 1979 г., стр. 5-6). Строят геометрическую одномерную модель ротора, на которой вал разбивают на участки с равными массовыми и жесткостными характеристиками. Массы дисков и их диаметральные моменты инерции также рассматривают как распределенные и относят к величине осевой протяженности мест их посадки. Далее путем расчета определяют формы и частоты собственных колебаний вращающегося ротора.
Однако одномерная модель ротора не позволяет учесть избыточную жесткость мест соединения отдельных деталей в роторе (т.е. границ участков с разными массовыми характеристиками), что вносит большую погрешность в значения форм и частот собственных колебаний ротора, состоящего из нескольких деталей. Данный подход не позволяет также определять формы и частоты продольных колебаний ротора и напряженно-деформированное состояние ротора в отдельных точках при его колебаниях.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения форм и частот собственных колебаний, при котором строят 3-х мерную геометрическую модель ротора (Маркевич Г.М., Малинкина Н.А. Технический отчет, Инв. №8900, “Расчет собственных частот изгибных колебаний вращающихся роторов на жестких и упругих опорах”, ЦИАМ, 1979 г., стр.15-16). При этом способе созданную трехмерную модель разбивают на конечные элементы в системе инженерного анализа ANSYS и путем расчета определяют формы и частоты собственных колебаний невращающегося ротора.
Данный способ учитывает все конструктивные особенности ротора, включая места соединения отдельных деталей друг с другом. Однако он не позволяет учесть вращение ротора и влияние гироскопических моментов от вращающихся дисков на формы и частоты собственных колебаний ротора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа учета действия гироскопических моментов от вращающихся дисков при определении вибрационных характеристик невращающегося ротора.
Для достижения названного технического результата предлагается определять формы и частоты собственных колебаний невращающегося ротора с дисками с учетом влияния гироскопических моментов от вращающихся дисков. Для этого строят его трехмерную геометрическую модель, разбивают ее на конечные элементы и путем расчета определяют формы и частоты собственных колебаний.
Новым в изобретении является то, что в месте крепления дисков к невращающемуся ротору прикладывают пары сил, моменты которых равны гироскопическим моментам от вращающихся дисков, действующим на ротор.
Способ осуществляется следующим образом:
На первом этапе стандартными средствами системы ANSYS с использованием всех ее элементов и команд строят трехмерную конечно-элементную модель невращающегося ротора.
На втором этапе моделируют влияние гироскопических моментов, действующих на ротор со стороны дисков, путем добавления к построенной модели ротора элементов системы ANSYS типа “плоская пружина”. Константы элементов зависят от частоты вращения ротора и от частоты прецессии его изогнутой оси.
На третьем этапе определяют путем расчета собственные частоты и формы колебаний, для чего разработаны специальные макросы, включающие в себя только команды системы ANSYS.
Для проверки данного изобретения были выполнены численный и реальный эксперименты. Результаты определения критических частот вращения ротора ГТД приведены в таблице.
| Номер формы колебаний | Критические частоты вращения, об/мин. | ||||
| Натурный эксперимент | Способ (1) | Предлагаемый способ | |||
| расчет | погрешность, % | расчет | Погрешность, % | ||
| 1 | 14820 | 14498 | 2,2 | 14728 | 0,6 |
| 2 | 28800 | 27754 | 3,6 | 27074 | 6,0 |
| 3 | 38100 | 70216 | 84,3 | 42707 | 12,1 |
Из таблицы видны преимущества предлагаемого способа определения форм и частот собственных колебаний вращающегося ротора. Погрешности расчета критических частот вращения ротора на основе известного способа (1) по сравнению с натурным экспериментом составляют 2,2%, 3,6% и 84,3% по первой, второй и третьей формам колебаний соответственно.
При конструировании газотурбинных двигателей погрешность расчета третьей критической частоты вращения ротора 84,3% является недопустимой. Т.е. известный способ расчета критических частот вращения роторов нуждается в уточнении. Погрешности расчета критических частот вращения этого же ротора на основе предлагаемого способа намного ниже и являются вполне удовлетворительными для инженерных исследований. По первой, второй и третьей формам колебаний они составляют 0,6%, 6,0% и 12,1%.
Способ определения форм и частот собственных колебаний ротора с дисками, при котором строят его геометрическую модель, разбивают ее на конечные элементы и путем расчета определяют формы и частоты собственных колебаний, отличающийся тем, что в месте крепления дисков к ротору прикладывают пары сил, моменты которых равны гироскопическим моментам от вращающихся дисков, действующих на ротор.
