考虑盘鼓多制造因素的燃气轮机拉杆转子装配参数优化方法

摘要

本发明一种考虑盘鼓多制造因素的燃气轮机拉杆转子装配参数优化方法，用于对燃气轮机拉杆转子盘鼓制造误差带来的转子初始弯曲和不平衡量同时进行优化。该方法采用轴向轮廓线来近似转子外轮廓面，采用轴向轮廓线长度的离散度来表征转子的初始弯曲；同时，通过各级盘鼓的圆周跳动度和盘鼓质量得到拉杆转子部分的不平衡量分布。该方法将轴向轮廓线长度的标准差和x、y方向的不平衡量绝对值同时作为优化目标函数，以各级盘鼓的装配相位角作为优化参数，编写了非支配排序多目标优化程序进行优化，优化后轴向轮廓线长度的标准差和x、y方向的转子不平衡量绝对值下降幅度均大于99％，减小了转子装配后的初始弯曲量和初始总体不平衡量，优化效果显著。

说明书

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种考虑盘鼓多制造因素的燃气轮机拉杆转子装配参数优化方法。

背景技术

拉杆转子(包括中心拉杆和周向均布拉杆)是重型燃气轮机中一种常见的拉杆—盘鼓组合式结构，由拉杆提供预紧力，并通过拉杆螺栓将多级盘鼓压紧而成。由于拉杆转子具有重量轻(启动快)、热膨胀性能和刚性好的优点，因此被广泛应用于燃气轮机和航空发动机。燃气轮机盘鼓制造过程中同时存在端面平行度、圆周跳动度，前者导致实际的盘鼓接触面与设计状态下的接触面不一致，存在平行度偏差，装配过程中会使拉杆转子产生初始弯曲；后者在机组运行时会产生不平衡量，在转动时产生离心激振力。由于两者同时受盘鼓的安装角度影响，在优化时需要同时考虑。通过调整盘鼓的安装相位角，同时对转子的初始弯曲和不平衡量进行优化，得到最佳的盘鼓装配角，提高燃气轮机拉杆转子的装配效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑盘鼓多制造因素的燃气轮机拉杆转子装配参数优化方法，该方法通过盘鼓轴向轮廓线的离散度判断拉杆转子初始弯曲大小；同时由各级盘鼓圆周跳动度和质量，得到燃气轮机拉杆转子不平衡量分布。通过调整各级盘鼓安装角度，同时减小拉杆转子的总体不平衡量和初始弯曲度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

考虑盘鼓多制造因素的燃气轮机拉杆转子装配参数优化方法，包括以下步骤：

1)以转子上的键相0°为相位起始点，通过测量燃气轮机拉杆转子各级盘鼓平行度e₁，得到盘鼓宽度的最大值和最小值所在位置及其大小；

2)以转子上的键相0°为相位起始点，通过测量燃气轮机拉杆转子各级盘鼓圆周跳动度e₂，得到各级盘鼓偏心距及其相位，结合盘鼓质量得到各级盘鼓不平衡量分布；

3)以各级盘鼓上最小宽度所在位置为起点，逆时针沿圆周均匀划分为n份，得到n个圆周点，结合步骤1)中所测盘鼓宽度的最大值和最小值，线性得到各圆周点处的盘鼓宽度；

4)连接各级盘鼓上对应序号的圆周点，共形成n条盘鼓轴向轮廓线，结合在步骤3)中各圆周点处盘鼓宽度，得到各条轴向轮廓线长度；

5)将n条轴向轮廓线长度的标准差σ以及各级盘鼓不平衡量p的矢量之和在x、y方向分量的绝对值作为优化目标函数，以燃气轮机各盘鼓装配相位角为优化参数，建立非支配排序多目标优化目标函数进行优化，得到各级盘鼓最佳安装角度。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中第i个盘鼓第k个圆周点处盘鼓宽度为：

其中，[]表示取整，n为盘鼓圆周总圆周点数，l为盘鼓宽度。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，第k条轴向轮廓线长度L表示为：

设第i个盘鼓逆时针旋转了j个单位划分角度，则有：

将(7)代入(6)中将对应盘鼓宽度替换即可得旋转后的轴向轮廓线长度。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，非支配排序多目标优化目标函数为：

其中，σ表示燃气轮机拉杆转子各轴向轮廓线长度的标准差/mm，L_k表示第k条轴向轮廓线长度/mm，表示各轴向轮廓线长度算数平均值/mm，n为圆周划分圆周点数；m_i、r_i分别为第i级盘鼓的质量/g和偏心距/mm，p_x、p_y分别为x方向和y方向不平衡量绝对值/g·mm，为第i级盘鼓不平衡量的相位角，h为盘鼓数量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的考虑盘鼓多制造因素的燃气轮机拉杆转子装配参数优化方法，将盘鼓制造带来的端面平行度、圆周跳动度问题同时考虑，采用轴向轮廓线的离散度大小来表征转子的初始弯曲程度，通过优化得到各级盘鼓的相位角。通过该优化方法，轴向轮廓线长度的标准差和x方向、y方向的不平衡量绝对值下降幅度均大于99％，减小了转子装配后的初始弯曲量和初始总体不平衡量，优化效果显著；以100组随机生成的盘鼓装配相位角为例，模拟装配质量的不确定性，对比该100组相位角下的目标函数值与优化后的相位角下目标函数值，结果表明在已知各盘鼓端面平行度、圆周跳动度的情况时，本发明可以快速地同时对拉杆转子初始弯曲和不平衡量分布进行优化，可以有效提高装配质量和效率，减小燃气轮机拉杆转子的总体不平衡量和初始弯曲度。

附图说明

图1是某型燃气轮机周向均布拉杆转子结构示意图，图中给出了拉杆转子盘鼓和周向均布拉杆的结构及其装配关系。

图2至图4为几种典型的燃气轮机拉杆转子初始弯曲形式。

图5是某型燃气轮机拉杆转子盘鼓部分的端面平行度测点位置示意图，图中数字代表测点编号，共14个测点。

图6是燃气轮机拉杆转子盘鼓端面平行度测量、盘鼓坐标系的建立及盘鼓周向圆周点划分示意图，其中1，2，…，n-1，n表示沿圆周均匀分割为n等份。

图7是某型燃气轮机拉杆转子盘鼓部分的圆周跳动度测点位置示意图，图中数字代表测点编号，共14个测点。

图8是随机生成的100组燃气轮机拉杆转子盘鼓装配相位角与采用本发明优化后的相位角计算的目标函数值对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步的详细描述。

图1给出了某型燃气轮机拉杆转子盘鼓和拉杆的结构及其装配关系，其中盘鼓部分通过周向均布拉杆提供预紧力。

图2至图4给出了盘鼓端面平行度影响下，三种典型的燃气轮机拉杆转子盘鼓初始弯曲形式。由图2至图4可知，盘鼓装配相位角决定了燃气轮机拉杆转子初始弯曲的程度。

结合图1至图8，本发明考虑盘鼓多制造因素的燃气轮机拉杆转子装配参数优化方法，包括以下步骤：

1)确定燃气轮机拉杆转子盘鼓端面平行度及坐标系的建立

图5给出了某型燃气轮机拉杆转子端面平行度测点位置。以盘鼓一侧接触面为基准平面，通过对每一级盘鼓进行旋转，得到盘鼓宽度最大、最小值所在位置及其差值e₁，测量盘鼓最窄处宽度l_min，则盘鼓最宽处宽度l_max＝l_min+e₁；以盘鼓中心指向键相0°所在位置为x轴，沿逆时针方向旋转π/2作为y轴建立直角坐标系。图6右边部分是某型燃气轮机拉杆转子平行度测量方法及坐标系建立示意图。

2)盘鼓沿周向的划分及确定盘鼓宽度沿周向的分布规律

如图6左边部分所示，将盘鼓沿周向平均分为n份，则第k个圆周点相对于第1个圆周点的相位角为

由于盘鼓两端均为平面，可以得到盘鼓宽度最大值与最小值所在点的相位差为π(参见图6)，且宽度随着角度线性变化。设有h个盘鼓，则第i个盘鼓第k圆周点处盘鼓宽度为

其中，[]表示取整。连接各个盘鼓上相同编号的点，沿圆周共形成n条轴向轮廓线，第k条轴向轮廓线长度表示为：

设第i个盘鼓逆时针旋转了j个单位划分角度，则有：

将(7)代入(6)中替换相应的盘鼓宽度即可得旋转后的轴向轮廓线长度；

3)确定燃气轮机拉杆转子盘鼓圆周跳动度及不平衡量分布

图7给出了某型燃气轮机拉杆转子盘鼓圆周跳动度测点位置，其测量方法与端面平行度类似。通过测量可以得到第i级盘鼓圆周跳动值e_i,2，则偏心距设其相位角为质量为m_i，则有：

其中，p_x、p_y分别为燃气轮机拉杆转子盘鼓x方向和y方向总不平衡量的绝对值/g·mm。

4)确定优化目标函数及优化参数并进行优化

考虑到燃气轮机拉杆转子装配过程中，盘鼓相位的变化会同时影响拉杆转子的初始弯曲和不平衡量分布，采用轴向轮廓线长度的离散度来表征拉杆转子的初始弯曲，确立非支配排序多目标优化目标函数如下：

其中，σ表示燃气轮机拉杆转子各轴向轮廓线长度的标准差/mm，L_k表示第k条轴向轮廓线长度/mm，表示各轴向轮廓线长度算数平均值/mm，n为圆周划分圆周点数；m_i、r_i分别为第i级盘鼓的质量/g和偏心距/mm，p_x、p_y分别为x方向和y方向不平衡量绝对值/g·mm，为第i级盘鼓不平衡量的相位角，h为盘鼓数量。

将各级盘鼓装配相位角作为优化参数，建立非支配排序多目标优化目标函数进行优化，得到各级盘鼓最佳安装角度。

表1某型燃气轮机拉杆转子优化前与优化后各级盘鼓装配相位角：

表2某型燃气轮机拉杆转子优化前与优化后目标函数值对比：

由表2中计算结果可知，优化后该燃气轮机拉杆转子轴向轮廓线标准差、x方向和y方向的不平衡量绝对值得到了明显的降低，下降幅度均大于99％，减小了转子装配后的初始弯曲量和初始总体不平衡量，优化效果显著。优化后直接得到各个盘鼓相对于起始位置的旋转角度，便于现场装配时进行调节。

5)验证本发明对实际装配过程效率的提升

在燃气轮机拉杆转子盘鼓实际装配过程中，由于盘鼓制造误差的存在，需要对盘鼓相位角进行反复的调整，且不一定能得到最满意的结果。以100组随机生成的燃气轮机拉杆转子盘鼓装配相位角为例，模拟现场装配时装配质量的不确定性，计算该100组相位角下的目标函数值并与本发明方法优化后的相位角下目标函数值进行对比，如图8所示，其中星号(*)代表随机生成的100组相位角计算的目标函数值，三角符号(△)代表优化后的相位角计算的目标函数值。可见，本发明在已知盘鼓端面平行度、圆周跳动度的情况下，可以快速对拉杆转子初始弯曲和不平衡量分布进行优化，得到各级盘鼓的最佳装配相位角，提高了装配质量和效率。