一种低压涡轮轴空间布局设计方法与流程

1.本技术属于航空发动机总体结构设计领域，特别涉及一种低压涡轮轴空间布局设计方法。


背景技术：

2.航空发动机总体结构布局设计是指，根据发动机的使用需求、环境条件和功能需求，提出满足产品功能及性能指标要求的总体结构布局方案。在航空发动机方案设计的过程中，低压涡轮轴空间布局是总体方案布局的重要组成部分。
3.现有双转子涡轮发动机低压涡轮轴空间布局的设计方法包括九个设计步骤：
4.1确定总体性能输入参数、2确定温度边界、3确定选材参数、4确定轴内/外径尺寸、5强度分析、6强度准则判定、7可加工性分析、8轴承dn值分析、9输出低压轴空间尺寸。
5.目前该技术方案存在以下缺点：
6.1、现有方法没有考虑低压轴的动力学特性，后续设计过程中存在方案颠覆的风险；
7.2、现有方法在静强度分析的过程中，先给出初始的结构尺寸，再进行静强度评估，通过不断的人工试算，寻找满足强度要求的结构参数。由于静强度分析过程中涉及较多的参数，需要在第3～6步中进行多次的循环迭代计算，设计效率低，设计周期长。
8.因此，如何更快速高效地对低压涡轮轴进行设计是一个需要解决的问题。


技术实现要素：

9.本技术的目的是提供了一种低压涡轮轴空间布局设计方法，以解决现有技术中低压涡轮轴的设计效率低、设计周期长的问题。
10.本技术的技术方案是：一种低压涡轮轴空间布局设计方法，包括：确定总体性能输入参数，进行初步的总体结构腔室空间布局设计；根据总体结构腔室空间布局方案，确定低压轴的温度边界参数；根据低压轴的温度边界，确定低压轴的材料参数；给定合适的低压轴内径尺寸的初始值和轴长度的初始值；选定低压轴初始的静强度设计系数，包括：屈服强度系数、极限强度系数、破坏强度系数和扭转失稳强度系数；根据低压轴的内径尺寸、轴长度和静强度设计系数，获取结构关键参数和强度设计参数，所述结构关键参数包括低压轴的外径尺寸；进行静强度分析，对静强度分析结果进行判定，如果满足强度设计准则要求则执行下一步骤；进行可加工性分析，如果满足则执行下一步骤；分析低压轴外侧轴承的dn值，如果满足强度设计准则，则完成动力学关键特性评估，并执行下一步骤；输出低压涡轮轴空间尺寸、最终的静强度设计系数，作为低压轴结构设计的输入。
11.优选地，在所述低压轴外侧轴承的dn值确定完成之后，对低压轴进行动力学可行性分析，通过分析对应的动力学控制参数预估动力学方案的可行性，如果可行，则执行下一步骤；如果不可行，则重新给定低压轴的内径初始值和轴长度的初始值，再次循环计算直至满足要求。
12.优选地，编辑对应参数的计算程序，在获取低压轴的内径尺寸、轴长度和初始静强度设计系数后，将获取的强度参数作为输入值输入到该计算程序中进行迭代计算，以获得低压轴的结构关键参数和最终静强度设计系数。
13.优选地，在对所述静强度分析进行判定的过程中，如果不满足强度设计准则要求，首先重新给定低压轴的材料参数进行再次的循环迭代计算与判定，如果仍不满足设计要求，则重新给定低压轴内径初始值，继续循环迭代计算直至满足强度准则要求。
14.优选地，在进行所述可加工性分析的过程中，如果无法满足可加工性要求，则重新给定低压轴的内径初始值和轴长度的初始值，继续循环迭代计算，直至满足可加工性准则要求为止。
15.优选地，在进行所述低压轴轴承的dn值判定的过程中，如果不满足设计准则，则重新给定低压轴的内径初始值和轴长度的初始值，继续循环迭代计算，直至满足轴承的dn值准则要求为止。
16.本技术的一种低压涡轮轴空间布局设计方法，通过先给定低压轴的总体性能输入参数和温度边界参数，来确定总体结构腔室空间布局方案，低压轴的初步布局、低压轴尺寸和材料范围，而后通过选择低压轴的材料来确定低压轴的基本物理性能；通过先给出低压轴内径尺寸和轴长度的初值，以及初始的静强度设计参数，而后根据程序迭代计算获得其他低压轴方案关键控制尺寸。由于采用了程序自动迭代计算，方案设计快速方便。进行后续的静强度分析、可加工性分析和轴承的dn值分析中，由于变量的减少，能够很快地确定需要改进的数值，从而快速地完成低压涡轮轴方案的最终设计。本方法使用方便、设计效率高、计算周期短、工作成本低，既能够解决低压轴动力学特性预估的问题，又能解决低压轴静强度预估的问题。此外，本发明能够广泛用于不同类型的常规航空发动机、地面燃机的总体结构设计中，使用范围广阔。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
18.图1为本技术整体流程示意图。
具体实施方式
19.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
20.一种低压涡轮轴空间布局设计方法，相比于现有技术中初步选定低压轴的内外径尺寸，该内外径尺寸无法判断准确性，这样就需要反复的试错，效率较低；本技术采用先给定标准的低压轴尺寸，而后再反向推导其它尺寸的数值范围，通过这样反向推导的方法，能够快速地选定数据，从而保证设计的效率。
21.如图1所示，具体设计包括：
22.步骤s100，确定总体性能输入参数，进行初步的总体结构腔室空间布局设计；
23.航空发动机的总体性能输入参数包括航空发动机的类型、使用方法、飞行状态等，而后选择适当的总体性能状态点及其低压系统功能等参数，作为空间边界布局设计的输入
参数。
24.步骤s200，根据总体结构腔室空间布局方案，确定低压轴的温度边界参数，低压轴的温度边界参数限定了低压轴的尺寸设计范围，温度边界参数可以通过传热分析获得；
25.步骤s300，根据低压轴的温度边界，确定低压轴的材料参数；必须的材料属性包括弹性模量、泊松比、疲劳寿命，低压轴的材料参数确定了动力涡轮轴设计的初始重量。
26.步骤s400，进行低压轴动力学特性的预估，给定合适的低压轴内径尺寸的初始值和轴长度的初始值；
27.相比于现有给定的低压轴内外径尺寸无法确定合适与否，通过后续的计算来判断，此处给定的低压轴内径尺寸的初始值和轴长度的初始值直接为合适的值，再通过程序迭代计算获得其他变量，由于在计算的过程中减少了至少两个变量，这样计算的效率就大幅提高，减少了迭代的次数。
28.给定的合适的低压轴内径尺寸和初始值和轴长度的初始值在一个区间范围内，具有多组，在实际给定的过程中只能给出一组合适的具体的系数，而后再通过后续的设计进行判定。
29.步骤s500，根据步骤s100-s300中的参数和发动机的类型，进行低压轴强度的预估，选定低压轴初始的静强度设计系数，包括：屈服强度系数、极限强度系数、破坏强度系数和扭转失稳强度系数；
30.在此处同样不进行静强度分析，而是直接给定合适的各个静强度设计系数，此处给定的一组静强度设计系数与步骤s400中给定的一组系数虽然都满足初始的设计要求，但是静强度设计数据与低压轴尺寸数据存在冲突的可能性，需要后续的设计来进行判定。
31.步骤s600，根据低压轴的内径尺寸、轴长度和静强度设计系数，获取结构关键参数和最终的强度设计参数，所述结构关键参数包括低压轴的外径尺寸；
32.通过计算获取低压轴的结构关键参数和强度设计参数，确定了低压轴的外形结构和轴承的设计参数，也就完成了对低压轴初始模型的设计，在设计可以是有限元模型，也可以是其它模型。
33.为了提高设计的效率，设计了编辑对应参数的计算程序，在获取低压轴的内径尺寸、轴长度和静强度设计系数后，将获取的参数作为输入值输入到该计算程序中进行迭代计算，也即是需要经过数据计算、参数数据分类、数据存储、数据显示的步骤，以获得低压轴的结构关键参数和最终静强度设计系数。由于该设计中的变量较少，因此计算出结果是较快，同时由于采用程序进行计算，与人工计算相比效率和精度大幅提高。
34.步骤s700，进行静强度分析，对静强度分析结果进行判定，如果满足强度设计准则要求则执行下一步骤；
35.通过进行静强度分析，得到了低压轴各个位置处的可承受载荷，如果各确定性载荷均满足设计准则要求，说明低压轴的尺寸设计和静强度设计参数是合理的；反之则说明是不合理的，数据之间存在冲突，这样就需要对其中的至少一个参数进行重新给定。
36.影响低压轴静强度的关键因素中，材料和尺寸均是关键点，如果不满足强度设计准则要求或者程序无法收敛，首先重新给定低压轴的材料参数进行再次的循环迭代计算与判定，也即是返回至步骤s300，如果仍不满足设计要求，则返回至步骤s400，重新给定低压轴内径初始值，继续循环迭代计算直至满足强度准则要求。
37.步骤s800，进行可加工性分析，如果满足则执行下一步骤；
38.低压轴的可加工性仅受到尺寸的影响，如果存在某些位置无法满足可加工性要求，则返回至步骤s400，则重新给定低压轴的内径初始值和轴长度的初始值，继续循环迭代计算，直至满足可加工性准则要求为止。
39.步骤s900，分析低压轴外侧轴承的dn值，如果满足设计准则，则完成动力学关键特性评估，并执行下一步骤；
40.低压轴外侧轴承的dn值仅会受到低压轴尺寸的影响，因此如何设计出来的轴承不满足设计准则，则需要返回至步骤s400，低压轴的内径初始值和轴长度的初始值，继续循环迭代计算，直至满足轴承的dn值准则要求为止。
41.步骤s1000，在低压轴外侧轴承的dn值确定完成之后，对低压轴进行动力学可行性分析，对各个位置的失效风险进行评估，通过分析对应的动力学控制参数预估动力学方案的可行性，如果可行，则执行下一步骤；如果不可行，则返回至步骤s400，重新给定低压轴的内径初始值和轴长度的初始值，再次循环计算直至满足要求。通过进行动力学可行性分析，能够更加准确地确定低压涡轮轴空间布局的合理性，保证设计的质量。
42.步骤s1100，输出低压涡轮轴空间尺寸、最终的静强度设计系数，作为低压轴结构设计的输入。
43.进行低压涡轮轴空间布局设计的过程中，通过先给定低压轴的总体性能输入参数和温度边界参数，来确定总体结构腔室空间布局方案，低压轴的初步布局、低压轴尺寸和材料范围，而后通过选择低压轴的材料来确定低压轴的基本物理性能；通过先给出低压轴内径尺寸和轴长度的初值，以及初始的静强度设计参数，而后根据程序迭代计算获得其他低压轴方案关键控制尺寸。由于采用了程序自动迭代计算，方案设计快速方便。进行后续的静强度分析、可加工性分析和轴承的dn值分析中，由于变量的减少，能够很快地确定需要改进的数值，从而快速地完成低压涡轮轴方案的最终设计。本方法使用方便、设计效率高、计算周期短、工作成本低，既能够解决低压轴动力学特性预估的问题，又能解决低压轴静强度预估的问题。此外，本发明能够广泛用于不同类型的常规航空发动机、地面燃机的总体结构设计中，使用范围广阔。
44.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。