航空發(fā)動機強度復習題(參考答案)

1、航空發(fā)動機構造及強度復習題(參考答案一、 基本概念1. 轉子葉片的彎矩補償適當地設計葉片各截面重心的連線,即改變離心力彎矩,使其與氣體力彎矩方向相 反,互相抵消,使合成彎矩適當減小,甚至為零,稱為彎矩補償。2. 罩量通常將葉片各截面的重心相對于 z 軸作適當的偏移,以達到彎矩補償的目的,這個 偏移量稱為罩量。3. 輪盤的局部安全系數與總安全系數局部安全系數是在輪盤工作溫度與工作時數下材料的持久強度極限 t T ,與計算輪盤應力中最大周向應力或徑向應力之比值。 0. 25. 1/max =t T K總安全系數是由輪盤在工作條件下達到破裂或變形達到不允許的程度時的轉速 c n , 與工作的最大轉速

2、 max n 之比值。 max /n n K c d =4. 輪盤的破裂轉速隨著轉速的提高,輪盤負荷不斷增加,在高應力區(qū)首先產生塑性變形并逐漸擴大, 使應力趨于均勻,直至整個輪盤都產生塑性變形,并導致輪盤破裂,此時對應的轉速稱 為破裂轉速。5. 轉子葉片的靜頻與動頻靜止著的葉片的自振頻率稱為靜頻;旋轉著的葉片的自振頻率稱為動頻;由于離心力的作用,葉片彎曲剛度增加,自振 頻率較靜頻高。6. 尾流激振氣流通過發(fā)動機內流道時,在內部障礙物后(如燃燒室后造成氣流周向不均勻, 從而對后面轉子葉片形成激振。7. 轉子的自位作用轉子在超臨界狀態(tài)下工作時,其撓度與偏心距是反向的,即輪盤質心位于軸撓曲線 的內側

3、,不平衡離心力相應減小,使軸撓度急劇減小,并逐漸趨于偏心距 e ,稱為“自 位”作用。8. 靜不平衡與靜不平衡度由不平衡力引起的不平衡稱為靜不平衡;靜不平衡度是指靜不平衡的程度,用質量 與偏心矩的乘積 me 表示,常用單位為 cm g 。9. 動不平衡與動不平衡度由不平衡力矩引起的不平衡稱為動不平衡; 動不平衡度是指動不平衡的程度, 用 me 表示,常用單位是 cm g 。10. 動平衡動平衡就是把轉子放在動平衡機床上進行旋轉,通過在指定位置上添加配重,以消 除不平衡力矩。11. 撓性轉子與剛性轉子軸的剛性相對于支承的剛度很小的轉子系統(tǒng)稱為撓性轉子; 轉子的剛性相對于支承 的剛性很大的轉子稱為

4、剛性轉子。12. 轉子的臨界轉速轉子在轉速增加到某些特定轉速時, 轉子的撓度會明顯增大, 當轉速超過該轉速時, 撓度又明顯減小,這種特定的轉速稱為轉子的臨界轉速,是轉子的固有特性。13. 渦動轉軸既要繞其本身軸線旋轉,同時,該軸又帶動著輪盤繞兩軸承中心的連線旋轉, 這種復合運動的總稱為渦動。14. 自轉與公轉(進動輪盤繞軸旋轉稱為自轉;撓曲的軸線繞軸承連線旋轉稱為公轉或進動。15. 轉子的同步正渦動與同步反渦動自轉角速度與進動角速度大小與轉向均相同的渦動稱為同步正渦動; 自轉角速度與 進動角速度大小相等,但轉向相反的渦動稱為同步反渦動;16. 轉子的協(xié)調正進動與協(xié)調反進動自轉角速度與進動角速度

5、大小與轉向均相同的渦動稱為同步正渦動, 對應的進動稱 為協(xié)調正進動; 自轉角速度與進動角速度大小相等, 但轉向相反的渦動稱為同步反渦動, 對應的進動稱為協(xié)調反進動。17. 持久條件疲勞極限規(guī)定一個足夠的循環(huán)次數 L N ,以確定 L N 下的“持久疲勞極限” ,稱為“持久條件 疲勞極限” 。18. 陀螺力矩在實際轉子中,由于設計上的要求,輪盤往往不一定安裝在軸的中央,或者相對于 兩支點不對稱,輪盤的運動便不再僅僅作自轉與橫向的平面運動,而是還要產生擺動, 使得它的各部分質量在運動中產生的慣性力形成了一個使輪盤不斷發(fā)生偏轉的力矩, 這 種力矩稱為陀螺力矩。19. 壓氣機葉片的安全系數 壓氣機葉片

6、的安全系數是葉片材料的許用應力與計算得到的最大總應力之比。 5. 30. 2(max =s ss n n 一般 總, 20. 動波振動時,兩個余弦波的節(jié)線(波形以大小相等,方向相反的角速度在盤上旋轉, 波形隨時間變化,故稱為“動波” 。21. 過載系數發(fā)動機振動時的最大加速度與重力加速度之比為過載系數 K , 用來衡量發(fā)動機的振 動水平。 gy K 20=。 二、 基本問題1. 航空發(fā)動機工作葉片受到哪些負荷?氣動負荷;振動負荷;熱負荷;離心力負荷。2. 實際葉片的振動有哪四種類型,其中哪兩種危險性最大?尾跡引起的強迫振動;顫振;旋轉失速;隨機振動。其中兩項危險性 最大。3. 對于等截面轉子葉

7、片的彎曲振動,其邊界條件是什么?(葉片長為 l 0, 0, 000=dx dy y x 0(0, 0(0, 303202=dxy d Q dx y d M l x 注:對于轉子葉片,可看作為一端固定,另一端自由的懸臂梁。 4. 對于等截面靜子葉片的彎曲振動,其邊界條件是什么?(葉片長為 l 0(0, 0, 02020=dx y d M y x 0(0, 0, 2020=dxy d M y l x 注:對于靜子葉片的某些構造,可看作兩端鉸接的簡直梁。 5. 風扇葉片葉身凸臺的作用是什么?為了避免發(fā)生危險的共振或顫震,葉身中部常常帶一個減振凸臺。用以增加剛性, 改變葉片的固有頻率,降低葉片根部的彎

8、曲扭轉應力,還可起阻尼減振作用。6. 在有的渦輪葉片上采用葉冠構造,其作用是什么?葉冠的作用:可減少徑向漏氣而提高渦輪效率;可抑制振動。7. 壓氣機轉子設計應遵循哪些基本原則?體積小;重量輕;結構簡單;工藝性好;保證可靠傳動,良好的定心和平衡;具有 足夠的剛性。8. 發(fā)動機轉子軸向力減荷有哪三項措施?并選其中一項說明減荷為何不影響發(fā)動機 的推力。將壓氣機轉子與渦輪轉子軸向聯(lián)結,抵消一部分向前的軸向力;壓氣機后卸荷腔通大氣;壓氣機前卸荷腔通高壓氣體。以為例,壓氣機后卸荷腔通大氣后,腔內壓力大為降低,轉子所受向前的力大為 降低,但壓氣機靜子向后的力也減少了同樣大小,而發(fā)動機推力是發(fā)動機各部分所受氣

9、 體力的軸向合力,所以推力不變。9. 葉片顫振的必要條件是什么?說明顫振與共振的區(qū)別。必要條件:相對攻角足夠大;相對流速足夠大。區(qū)別:顫振是自激振動,共振是它激振動;顫振極少有高階振型,共振可能有高階振型。10. 排除顫振故障方法有哪些?改善氣流情況;增加阻尼;改變葉型設計參數;采用錯頻葉片轉子。11. 疲勞破壞有哪些基本特征?交變應力小于 b 下可能破壞(小應力特征 ;脆斷特征;累積損傷特征; 局部特征;宏觀和微觀特征。12. 何謂動剛度,動剛度與那些因素有關?動剛度是系統(tǒng)內一點上的簡諧力和由該力產生的在作用方向上的位移的比值 (激振 力幅與強迫振動振幅之比 。動剛度不僅取決于系統(tǒng)的結構、力

10、的作用點,而且還與激 振力的頻率有關。13. 說明疲勞損傷的理論要點。疲勞損傷是累積的結果,且滿足線性疊加原理;循環(huán)比定義為 N /n i ,其中 i n 為加載循環(huán)次數, N 為疲勞壽命;單級加載時,循環(huán)比 =1,即出現破壞;多級加載時,總損傷等于各循環(huán)比總和, =ni i Nn 11時破壞。 14. 排除葉片共振故障應從哪幾個方面考慮?舉例說明各方面的具體措施。改變激振力頻率和降低激振力,具體措施如改變靜子葉片數和采用斜裝葉片; 改變葉片固有頻率,如葉片修緣,改變葉片安裝方式;增大阻尼,如減振凸臺,帶冠葉片。15. 輪盤有幾種振動形式,各舉例畫出一個振型圖。三種形式:傘形、扇形和復合型。

11、16. 什么是等溫度盤,其溫度條件是什么?輪盤的溫度沿徑向不變稱為等溫度盤,即 0t t =。17. 什么是等強度盤,為什么采用等強度盤,其溫度條件是什么?通過合理設計,使全盤中各處的徑向和周向應力都各等于某一常數,則盤的重量應 是最輕,這就是所謂的“等強度盤” 。目的是使輪盤材料充分被利用,以減輕輪盤重量。溫度條件:C r ln B t +=18. 渦輪部件冷卻的目的是什么?提高渦輪前燃氣溫度,以提高發(fā)動機的性能;在渦輪前燃氣溫度給定的條件下,降低零件工作溫度到允許的范圍內,以保證這 些零件有必要的機械強度;使零件內溫度分布均勻,以減小熱應力;提高零件工作表面的耐腐蝕性,如果將零件與燃氣流隔

12、開,可以避免對零件工作 表面的侵蝕;有可能采用廉價的耐熱材料。19. 氣冷式渦輪轉子葉片的溫度分布規(guī)律及危險截面位置是什么?20. 渦輪盤盤緣處的熱應力在發(fā)動機工作中的變化規(guī)律是什么?渦輪轉子鏈接的基本 要求是什么?航空發(fā)動機構造及強度復習題（參考答案）學生版 21. 在發(fā)動機轉子葉片進行強度計算時，計算點是如何選取的？ 在對轉子葉片進行強度計算時，選取下列幾種情況作為計算點： 發(fā)動機設計點（即地面試車狀態(tài)， H = 0,V = 0, n = nmax ） ，應作為基本計算點； 低溫低空高速飛行狀態(tài)，這時發(fā)動機空氣流量最大，取 H = 0,V = Vmax , n = nmax ， t = 2

13、33 K 進行計算； 高空低速飛行狀態(tài)，這時發(fā)動機空氣流量最小，取 H = H max ,V = Vmin , n = nmax ， t = tH 進行計算。 22. 畫出等溫空心等厚盤與等溫實心等厚盤在無外載情況下的應力分布曲線，分析中心 開孔對盤上應力分布的影響。 等溫等厚空心盤與實心盤比較，中心孔為無限小（即針孔）時，盤中心處的周向應 力是實心盤中心應力的兩倍；盤中心開孔總使應力水平加大，并且孔邊應力為最大，但 隨著中心孔經的增大，輪盤應力分布反而趨于均勻。 23. 寫出轉子葉片葉根和葉尖處的邊界條件， 并畫出等截面轉子葉片 13 階彎曲振型圖。 dy 0 x = 0, y0 = 0,

14、=0 dx x = l, M = 0 ( d 2 y0 d 3 y0 = 0 , Q = 0 ( = 0 dx2 dx3 24. 列出無重軸段的傳遞矩陣。 é ê1 Dli ê ê0 1 ê ê ê0 0 ê ë0 0 25. 列出通過點質量時站的傳遞矩陣。 (Dli 2 2 EJi Dli EJi 1 0 (Dli 3 ù 6 EJi ú ú (Dli 2 ú 2 EJi ú ú Dli ú 1 ú û 第 6 頁

15、 共 9 頁 航空發(fā)動機構造及強度復習題（參考答案）學生版 é 1 ê 0 ê ê 0 ê 2 ëmi W 0 0 0ù 1 0 0ú ú 0 1 0ú ú 0 0 1û 26. 繪出轉子作同步正渦動和同步反渦動時軸上纖維受力情況圖。 27. 分析航空發(fā)動機整機振動的主要激振源。 一類是與轉速有關的規(guī)律性振源，有轉子不平衡力引起的激振力，傳動齒輪、葉柵 尾流引起的激振力；一類是與轉速無關的非規(guī)律性振源，有壓氣機喘振，振蕩燃燒等。 三、 分析與計算 1. 有一個半徑為 ra ，

16、溫度為 t 0 的等溫實心等厚盤，已知外緣 ra 處的徑向應力為 s a ， 根據以下公式推導出此輪盤的 s r 和 s q 的計算公式，并繪圖說明。 K2 3 +n aE r - Ar 2 - 2 ò trdr 2 r 8 r r0 K 1 + 3n aE r s q = K1 + 22 - Ar 2 + 2 ò trdr - Eat r 8 r r0 s r = K1 - 參見航空發(fā)動機強度計算p32。 2. 有一葉片高度為 l ， 沿 y 軸正方向受到大小沿葉高不變的 氣體力 py (單位葉高受力。計算葉根截面 A、B、C 三點的 A、B 彎曲應力。 已知： 葉根截面

17、的兩個主慣性矩為 Jh 和 J x ， 點的坐標為 h A 、h B 和 x A 、 xB ， C 為葉根截面的重心。 參見航空發(fā)動機強度計算p11。 第 7 頁 共 9 頁 航空發(fā)動機構造及強度復習題（參考答案）學生版 3. 設壓氣機某級轉子葉柵進、出口截面氣流的 軸向速度、周向速度、靜壓力、氣體密度分別為 c1am 、c1um 、c 2am 、c 2um ，p 1m 、p 2m ，r 1m 、r 2m ， 葉片的平均半徑為 Z m ，葉片數為 Q ，根據動力 動量定理，求單位葉高上受到的 y 方向的氣體 力。 解：參見航空發(fā)動機強度計算p6。 4. 如圖所示，將葉片分成 n 段共 n+1

18、個截面，假定葉片 各截面的面積 A i 和重心坐標（ X i、Yi、Zi ）為已知，利用 數值法，求葉片第 j 截面上離心彎矩 M xj,離 和 M yj,離 。 解：參見航空發(fā)動機強度計算p9-p10。 5. 對于樅樹形榫頭，假設作用在第 i 個齒齒面上的正壓力為 P i ，且各個齒單位齒長上承受的力是相等的，求第 i 個齒齒面 上的擠壓應力。 解：參見航空發(fā)動機強度計算p19。 6. 某葉片根部 a 為 100，截面積 5.0cm2，葉尖 a 為 600，截面積為 2.5 cm2，一彎靜頻 為 180Hz， r0 為 15cm， R 為 31 cm，轉速 11000r/min。求葉片一階彎曲動頻。 解：參見航空發(fā)動機強度計算p77。 第 8 頁 共 9 頁 航空發(fā)動機構造及強度復習題（參考答案）學生版 7. 如圖所示單盤轉子支承系統(tǒng)，不計軸的質量，不考慮盤的偏擺，不 計薄盤重力對撓度的影響。盤軸聯(lián)結處軸的橫向剛度系數為 c ，轉子轉