航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度復(fù)習(xí)總結(jié)

1、1轉(zhuǎn)子葉片強(qiáng)度計(jì)算的目的是為了保證所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子葉片能可靠工作,又使其盡可能輕。2轉(zhuǎn)子葉片受到的載荷:葉片自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力;氣流的橫向氣體力(彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力);熱負(fù)荷;振動(dòng)負(fù)荷。3簡(jiǎn)化假設(shè)和坐標(biāo)系:將其看做根部完全固裝的懸臂梁;葉片僅承受自身質(zhì)量離心力和橫向氣體力,只計(jì)算拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力;扭轉(zhuǎn)中心(剛心),氣體壓力中心與中心三者重合,離心力與氣體力均作用于重心。4計(jì)算點(diǎn)的選擇: 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)（H=0，V=0，n=nmax）;低空低溫高速飛行狀態(tài)（最大氣體力狀態(tài)H=0,V=Vmax,n=nmax,t=233K）;高空低速飛行狀態(tài)（最小氣體力狀態(tài)H=Hmax,V=Vmin,n=nmax,t

2、=tH）5推導(dǎo)氣動(dòng)力：(2mc2amt2m×1)c2am-1mc1amt1m×1c1am=2QZm2mc2am2-1mc1am2;p1m-p2mtm×1=2ZmQp1m-p2m;pxm=2ZmQ1mc1am2-2mc2am2)+(p1m-p2m;pym=2ZmQ(1mc1amc1um-2mc2amc2um)6離心力彎矩：若轉(zhuǎn)子葉片各截面重心的連線不與Z軸重合,則葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力將引起離心力彎矩.離心力平行于Z軸所以對(duì)Z軸沒(méi)有矩,離心力必須垂直于轉(zhuǎn)軸在X軸方向的分力必然為0.7罩量：通常將葉片各截面的重心相對(duì)于Z軸作適當(dāng)?shù)钠?以達(dá)到彎矩補(bǔ)償?shù)哪康?這個(gè)偏移量

3、稱為罩量。8罩量調(diào)整:合理地選擇葉片各截面重心的罩量,使之既保證葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作的狀態(tài)具有較低的應(yīng)力,又照顧到在其它各種工作狀態(tài)下的應(yīng)力都不太大。在一般情況下，僅以根部截面作為調(diào)整對(duì)象。9壓氣機(jī)與渦輪葉片所受氣動(dòng)力方向相反，重心連線偏斜方向總是與葉片所受的氣體力的方向一致。10以離心力彎矩補(bǔ)償氣體力彎矩時(shí),還必須注意到這兩個(gè)彎矩隨工作狀態(tài)的變化.往往取最大氣體力彎矩和最小氣體力彎矩的平均值作為離心力彎矩補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。11彎曲應(yīng)力：通過(guò)截面重心，有一對(duì)慣性主軸、,對(duì)軸的慣性矩最小,對(duì)軸的慣性矩最大。在距離軸最遠(yuǎn)的A、B、C三點(diǎn)在僅有作用時(shí),彎曲應(yīng)力最大。12壓氣機(jī)葉片ns=s總，max一般ns

4、=2.03.5;渦輪葉片nT=Ts總，max(一般nT=1.52.5)13影響葉片強(qiáng)度:扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(兩個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩方向常常相反,所以可忽略);熱應(yīng)力(熱端部件影響,熱沖擊反復(fù)產(chǎn)生致熱疲勞);扭向(扭向愈大,對(duì)葉片截面上離心拉伸應(yīng)力分布不均勻的影響愈大);蠕變(采用葉片材料的蠕變極限a/Tt作為許用應(yīng)力,安全系數(shù)nT=aTt總，max(一般nT=1.52.5);葉片彎曲變形(由于變形產(chǎn)生的附加彎矩,將使離心力彎矩對(duì)氣體力彎矩的補(bǔ)償效果更好);葉冠(增大應(yīng)力項(xiàng));其它因素(不同的葉根形狀將使葉片上的離心拉伸應(yīng)力產(chǎn)生明顯的分布不均現(xiàn)象)20輪盤(pán)的破損形式：1,在輪盤(pán)外緣榫頭部分?jǐn)嗔?2,輪盤(pán)外緣的徑向裂

5、紋，尤其在固定葉片的銷孔處;3,由于材料內(nèi)部缺陷(例如松孔或夾雜)導(dǎo)致盤(pán)中心斷裂;4,由于輪盤(pán)在高溫下工作，容易引起蠕變(甚至局部頸縮),使盤(pán)外徑增大,最后導(dǎo)致輪盤(pán)破裂。21輪盤(pán)強(qiáng)度計(jì)算主要考慮負(fù)荷：1安裝在輪盤(pán)外緣上的葉片質(zhì)量離心力以及輪盤(pán)本身的離心力;2沿盤(pán)半徑方向受熱不均引起的熱負(fù)荷。其他負(fù)荷:1由葉片傳來(lái)的氣動(dòng)力,以及輪盤(pán)前后端面上的氣體壓力;2機(jī)動(dòng)飛行時(shí)產(chǎn)生的陀螺力矩；3葉片及盤(pán)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)負(fù)荷；4盤(pán)與軸或盤(pán)與盤(pán)連接處的裝配應(yīng)力,或在某種工作狀態(tài)下,由于變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力。22輪盤(pán)強(qiáng)度計(jì)算的假設(shè)：1軸對(duì)稱假設(shè);2平面應(yīng)力假設(shè);3彈性假設(shè)。23輪盤(pán)強(qiáng)度計(jì)算基本公式方程：平衡方

6、程、幾何方程、物理方程。計(jì)算方法：力法、位移法。24輪盤(pán)的應(yīng)力有三部分組成:1,由應(yīng)力、位移、溫度的邊界條件決定的，它們通過(guò)常數(shù)K1和K2來(lái)表示;2,輪盤(pán)以角速度旋轉(zhuǎn)引起的離心應(yīng)力;3,由于溫度影響引起的熱應(yīng)力。25等厚圓環(huán)法的基本思路:1，將剖面形狀復(fù)雜的輪盤(pán)沿半徑方向劃分成有限個(gè)段，每段構(gòu)成一個(gè)等厚圓環(huán)，相互套接在一起，雖然整個(gè)輪盤(pán)的溫度分布沿徑向是不均勻的，但對(duì)于每個(gè)圓環(huán)而言，仍然假定是等溫的;2,利用相鄰兩圓環(huán)間的變形協(xié)調(diào)和平衡關(guān)系，建立相鄰兩圓環(huán)間（由內(nèi)層圓環(huán)的外徑向外層圓環(huán)的內(nèi)徑）應(yīng)力關(guān)系的遞推公式；3，建立整個(gè)輪盤(pán)的應(yīng)力公式，確定它的邊界應(yīng)力和各段圓環(huán)在平均半徑上的應(yīng)力，獲得整個(gè)

7、輪盤(pán)的應(yīng)力分布。26計(jì)算結(jié)果可靠性的判定方法：1比較法（把計(jì)算輪盤(pán)獲得的最大應(yīng)力與許用應(yīng)力作比較）。2局部安全系數(shù)（判定工作可靠性，在輪盤(pán)工作溫度與工作時(shí)數(shù)下材料的持久強(qiáng)度極限與計(jì)算輪盤(pán)應(yīng)力中最大周向應(yīng)力或徑向應(yīng)力之比值）；3總安全系數(shù)（對(duì)于應(yīng)力分布不均勻的輪盤(pán)，用總安全系數(shù)來(lái)表示輪盤(pán)的承載性能各位合理）。27等溫實(shí)心等厚盤(pán).邊界條件: 在盤(pán)外緣(r=ra),r=a;在盤(pán)心r=0,r=0.28等溫實(shí)心等厚盤(pán)的應(yīng)力分布是不均勻的,盤(pán)外緣應(yīng)力較低,該處材料未能充分利用.盤(pán)心應(yīng)力最大,其值為r=3+v8Ara2+a29等溫空心等厚盤(pán).盤(pán)外緣處沒(méi)有載荷時(shí),邊界條件:r=ra時(shí),r=0;r=r0時(shí),r=

8、0.最大值發(fā)生在r=r0ra處,其值為rmax=3+v8A(ra=r0)2.盤(pán)外緣處存在載荷時(shí),邊界條件: :r=ra時(shí),r=a;r=r0時(shí),r=0.當(dāng)中心孔半徑增大時(shí),孔邊的周向應(yīng)力隨之增大;在極限情況下, r0ra時(shí),趨近于無(wú)限大,這是由于空心盤(pán)接近為圓環(huán)時(shí),盤(pán)外緣外載幾乎全靠周向應(yīng)力承受的緣故.210等溫盤(pán)具有如下特性:外載a一定時(shí),輪盤(pán)的應(yīng)力與厚度無(wú)關(guān).a直接影響輪盤(pán)的應(yīng)力水平;輪盤(pán)尺寸一定時(shí),應(yīng)力r、與密度、轉(zhuǎn)速平方2成正比;如果對(duì)于兩個(gè)ra不同的輪盤(pán),rar為定值時(shí),其應(yīng)力與輪盤(pán)外徑的平方ra2也成正比關(guān)系;均勻加熱,對(duì)輪盤(pán)應(yīng)力無(wú)影響;輪盤(pán)應(yīng)力與材料的彈性模量E無(wú)關(guān).211加熱輪盤(pán)

9、特點(diǎn)：1,在全盤(pán)上均勻加熱，即溫升率c=0，不會(huì)引起熱應(yīng)力；2,沿半徑溫升成比例地增大K倍，熱應(yīng)力也增大K倍；3,彈性模量E增大K倍時(shí)，熱應(yīng)力也增加K倍。212等強(qiáng)度盤(pán)：如果把盤(pán)合理設(shè)計(jì)，使全盤(pán)中各處的徑向和周向應(yīng)力都各等于某一常數(shù)，則盤(pán)重量應(yīng)是最輕。通常采用的剖面形狀是由錐形與等厚度復(fù)合而成。解決這類問(wèn)題用力法是比較適宜的。213破裂轉(zhuǎn)速推導(dǎo)：dhrr-hdr+2hr2dr=0dhrr+2hr2dr=hdrr0rad(hrr)+2r0rahr2dr=r0rahdrharaa+2r0rahr2dr=r0rahdr令I(lǐng)0=r0rahr2drharaa+2I0=r0rahdr2haraa2+I0=

10、r0rahdr=r0rahdra2hara+I0=2nc60nc=30r0rahdra2hara+I050臨界轉(zhuǎn)速推導(dǎo)：設(shè)兩支承剛性系數(shù)為c1,1=12my2c1,對(duì)于軸而言，盤(pán)出撓度為 y-1,設(shè)其剛性系數(shù)為c,y-1=my2c, 聯(lián)立得y1-m21c+12c1=0,y為任意值1-m21c+12c1=0cr2=2cc12c1+cm=c折m,其中c折=2cc12c1+c=c1+cc1,可以看作一個(gè)折合的總剛性系數(shù).當(dāng)c1趨近,c折=c30葉片損壞絕大部分由振動(dòng)引起。受離心力載荷和振動(dòng)的交變載荷引起疲勞裂紋。對(duì)于壓氣機(jī)，重要是一二彎矩和一扭振動(dòng)；對(duì)于渦輪，一彎和一扭振型。31葉片振動(dòng)類型：尾跡引

11、起的強(qiáng)迫振動(dòng)、顫振、旋轉(zhuǎn)失速、隨機(jī)振動(dòng)（前二危險(xiǎn)大）。32葉片振動(dòng)因素：自振頻率、振型、振動(dòng)應(yīng)力。（振型：葉片以某階自振頻率振動(dòng)時(shí)，葉片各部分振動(dòng)的相對(duì)關(guān)系）33低頻振動(dòng)最危險(xiǎn)，頻率振幅危險(xiǎn)性。34由于振動(dòng)而損壞的斷口具有疲勞斷口的特征：典型的疲勞斷口上有明顯的“疲勞源”（貝殼花紋的中心），疲勞擴(kuò)展區(qū)(光亮的貝殼狀振花紋),瞬時(shí)斷裂區(qū)(粗糙的斷面)；33等截面葉片振動(dòng)的特點(diǎn)：每一微元段都是簡(jiǎn)諧振動(dòng)；所有微元段都以相同的頻率振動(dòng)；振動(dòng)時(shí)各微元段的相位相同。34動(dòng)頻:旋轉(zhuǎn)著的葉片的自振頻率；靜頻:靜止著的葉片的自振頻率。動(dòng)頻比靜頻高。35轉(zhuǎn)速與葉片彎曲自振頻率圖:1,離心力對(duì)葉片一、二階彎曲振動(dòng)頻

12、率影響明顯，隨轉(zhuǎn)速升高動(dòng)頻逐漸增大;2,對(duì)扭轉(zhuǎn)和其他復(fù)雜振型自振頻率的影響較小.(轉(zhuǎn)速對(duì)扭矩影響較小，因?yàn)殡x心力在垂直于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)平面內(nèi)。動(dòng)頻對(duì)低階彎曲振動(dòng)影響大)36p2=E01J(dy02dr2)2dr01Ay02dr+2C1201Ay02dr( (右邊第一項(xiàng)為無(wú)離心力作用下的彎曲自振頻率;第二項(xiàng)是當(dāng)葉片由平衡位置移到邊緣位置時(shí)克服離心力所做的功)37影響葉片自振頻率的因素：溫度的影響(溫度升高,自激頻率下降)扭向(主要由寬度與厚度不等引起.隨扭轉(zhuǎn)角增加,一階頻率略有升高,二階明顯下降,三階通常上升)盤(pán)(對(duì)葉片來(lái)說(shuō)等效為變形變大,剛性下降,頻率會(huì)降低)根部非固裝情況(此時(shí)葉片的各階自振頻率都

13、會(huì)明顯地降低;對(duì)抑制葉片振動(dòng)有益)葉片尺寸(常用細(xì)長(zhǎng)比l/為參數(shù))38激振力：機(jī)械激振力、氣動(dòng)激振力；氣動(dòng)激振力：尾流激振旋轉(zhuǎn)失速和隨機(jī)激振；39振動(dòng)阻尼種類：氣動(dòng)阻尼(臨界攻角以內(nèi))構(gòu)造阻尼(把許多葉片連為一體,使相鄰葉片的振動(dòng)受到牽制;提高單個(gè)葉片的阻尼)材料阻尼(通常用衰減系數(shù)表示)310顫振屬于自激振動(dòng)(沒(méi)有明顯的帶頻率激振源,氣流是能量來(lái)源),基本由葉片自身的幾何尺寸及材料性質(zhì)決定.311排除顫振故障的方法：改善氣流情況增加阻尼改變?nèi)~型設(shè)計(jì)參數(shù)采用錯(cuò)頻葉片轉(zhuǎn)子(葉片頻率失調(diào)對(duì)顫振具有明顯的抑制作用;葉片在受迫振動(dòng)時(shí),頻率失調(diào)將使某些葉片的振幅平均值明顯地增大)312排除振動(dòng)故障及減振

14、措施改變激振力頻率或減弱激振力(改進(jìn)支柱的設(shè)計(jì);改進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì);改變靜子葉片數(shù)目和柵距;其它障礙物影響;進(jìn)氣道氣流流場(chǎng)不均的影響;放氣窗口的影響)改變?nèi)~片自振頻率(改變?nèi)~片材料;改變?nèi)~身厚度;改變銷釘孔配合間隙)提高葉片抗振阻尼(提高葉片阻尼;特殊減振構(gòu)造減振凸臺(tái),葉冠,箍帶)40圓盤(pán)振動(dòng)的形式：第一類振動(dòng)(振動(dòng)形式對(duì)稱與中心,全部節(jié)線都是同心圓)第二類振動(dòng)(扇形振動(dòng)，全部振動(dòng)節(jié)線沿圓盤(pán)面徑向分布的直線，稱為節(jié)徑，最容易引起輪盤(pán)損壞)51振動(dòng)主要來(lái)源：轉(zhuǎn)子不平衡度和臨界轉(zhuǎn)速。根本上轉(zhuǎn)子是振源。52臨界轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速增加到某些特定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子撓度會(huì)明顯增大，轉(zhuǎn)速超出該轉(zhuǎn)速時(shí)撓度又明顯減小。5

15、3臨界轉(zhuǎn)速的特性：1撓度y趨于無(wú)限，對(duì)應(yīng)臨界頻率，臨界轉(zhuǎn)速2當(dāng)小于臨界頻率，亞臨界狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速增加，撓度愈來(lái)愈大愈來(lái)愈烈3超臨界狀態(tài)，超臨界的“自位作用”,輪盤(pán)在超臨界狀態(tài)時(shí)位置是穩(wěn)定的。54當(dāng)轉(zhuǎn)子越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，撓度明顯增加，動(dòng)能提高，由于受哥氏慣性力作用，外力矩消耗功，撓度增加是能量積累過(guò)程.55頓克公式使用注意：1只能用于一階2不考慮陀螺力矩3該公式是近似，當(dāng)盤(pán)位置接近支承和懸臂轉(zhuǎn)子誤差大4計(jì)算值低于精準(zhǔn)值。56陀螺力矩：由于輪盤(pán)的偏擺，使得它的各部分質(zhì)量在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的慣性力形成了一個(gè)使輪盤(pán)不斷發(fā)生偏轉(zhuǎn)的力矩。陀螺效應(yīng)：由于高速旋轉(zhuǎn)輪盤(pán)的偏擺運(yùn)動(dòng)使臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的現(xiàn)象。57影響臨界轉(zhuǎn)速

16、的因素:1,軸質(zhì)量2,陀螺力矩3,支承彈性4,阻尼其他影響臨界轉(zhuǎn)速的因素:1軸向力：軸向拉力使軸的橫向撓度減小，相當(dāng)于增加了軸的剛性，其結(jié)果是臨界轉(zhuǎn)速有所增加2扭矩:扭矩的存在使軸的抗彎剛性降低，因而使臨界轉(zhuǎn)速下降3非圓截面軸:臨界轉(zhuǎn)速是一個(gè)范圍4盤(pán)及葉片柔性:變形后盤(pán)及葉片產(chǎn)生的離心力矩將減小，臨界轉(zhuǎn)速減小5連接構(gòu)造:影響臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算的精準(zhǔn)度58整機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象往往是通過(guò)靜子機(jī)匣的振動(dòng)來(lái)感受與傳遞的；振動(dòng)時(shí)的最大加速度與重力加速度之比定義為過(guò)載系數(shù)k；頻譜分析是論斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障，預(yù)測(cè)故障出現(xiàn)，估計(jì)壽命，制定規(guī)范和新機(jī)研制的有利工具。59處理臨界轉(zhuǎn)速的方法:1,把轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速調(diào)到發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速以上

17、2,把轉(zhuǎn)子的低階臨界轉(zhuǎn)速調(diào)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速以下(設(shè)法降低轉(zhuǎn)軸的抗彎剛性，使轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下降;在不改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的情況下,加裝彈性支承)3,增加阻尼器或撓度限制器4,利用非線性作用，載荷-變形非線性5,改善轉(zhuǎn)子平衡,將全部范圍內(nèi)的振動(dòng)成比例的下降。510發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡的表現(xiàn)形式:1靜不平衡,由不平衡力引起,靜平衡就是使轉(zhuǎn)子在刀架上實(shí)現(xiàn)“隨遇平衡”,轉(zhuǎn)子質(zhì)量和偏心矩的乘積稱為“靜不平衡度”2動(dòng)不平衡,由不平衡力矩引起，動(dòng)平衡就是把轉(zhuǎn)子放在動(dòng)平衡機(jī)床上進(jìn)行旋轉(zhuǎn),通過(guò)在指定位置添加配種以消除不平衡力矩.511保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡性的方法:1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面:高速旋轉(zhuǎn)的零件,設(shè)計(jì)時(shí)力求其形狀對(duì)稱于旋轉(zhuǎn)軸線,同時(shí)保證必要的精度和較小的形狀誤差2裝配工藝方面:裝配順序和裝配質(zhì)量都影響平衡質(zhì)量3平衡工藝方面:多步平衡是減少轉(zhuǎn)子變形的一種方法,它