航空發(fā)動機強度復習總結

1、1轉子葉片強度計算的目的是為了保證所設計的轉子葉片能可靠工作,又使其盡可能輕。2轉子葉片受到的載荷:葉片自身質量產生的離心力;氣流的橫向氣體力(彎曲應力和扭轉應力);熱負荷;振動負荷。3簡化假設和坐標系:將其看做根部完全固裝的懸臂梁;葉片僅承受自身質量離心力和橫向氣體力,只計算拉伸應力和彎曲應力;扭轉中心(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計算點的選擇: 發(fā)動機設計點（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推導氣動力：(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：若轉子葉片各截面重心的連線不與Z軸重合,則葉片旋轉時產生的離心力將引起離心力彎矩.離心力平行于Z軸所以對Z軸沒有矩,離心力必須垂直于轉軸在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于Z軸作適當的偏移,以達到彎矩補償的目的,這個偏移量

3、稱為罩量。8罩量調整: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)動機經常工作的狀態(tài)具有較低的應力,又照顧到在其它各種工作狀態(tài)下的應力都不太大。在一般情況下，僅以根部截面作為調整對象。9壓氣機與渦輪葉片所受氣動力方向相反，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以離心力彎矩補償氣體力彎矩時,還必須注意到這兩個彎矩隨工作狀態(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償的目標。11彎曲應力：通過截面重心，有一對慣性主軸、,對軸的慣性矩最小,對軸的慣性矩最大。在距離軸最遠的A、B、C三點在僅有作用時,彎曲應力最大。12壓氣機葉片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影響葉片強度:扭轉應力(兩個扭轉力矩方向常常相反,所以可忽略);熱應力(熱端部件影響,熱沖擊反復產生致熱疲勞);扭向(扭向愈大,對葉片截面上離心拉伸應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作為許用應力,安全系數nT=aTt總，max(一般nT=1.52.5);葉片彎曲變形(由于變形產生的附加彎矩,將使離心力彎矩對氣體力彎矩的補償效果更好);葉冠(增大應力項);其它因素(不同的葉根形狀將使葉片上的離心拉伸應力產生明顯的分布不均現(xiàn)象)20輪盤的破損形式：1,在輪盤外緣榫頭部分斷裂;2,輪盤外緣的徑向裂

5、紋，尤其在固定葉片的銷孔處;3,由于材料內部缺陷(例如松孔或夾雜)導致盤中心斷裂;4,由于輪盤在高溫下工作，容易引起蠕變(甚至局部頸縮),使盤外徑增大,最后導致輪盤破裂。21輪盤強度計算主要考慮負荷：1安裝在輪盤外緣上的葉片質量離心力以及輪盤本身的離心力;2沿盤半徑方向受熱不均引起的熱負荷。其他負荷:1由葉片傳來的氣動力,以及輪盤前后端面上的氣體壓力;2機動飛行時產生的陀螺力矩；3葉片及盤振動時產生的動負荷；4盤與軸或盤與盤連接處的裝配應力,或在某種工作狀態(tài)下,由于變形不協(xié)調而產生的附加應力。22輪盤強度計算的假設：1軸對稱假設;2平面應力假設;3彈性假設。23輪盤強度計算基本公式方程：平衡方

6、程、幾何方程、物理方程。計算方法：力法、位移法。24輪盤的應力有三部分組成:1,由應力、位移、溫度的邊界條件決定的，它們通過常數K1和K2來表示;2,輪盤以角速度旋轉引起的離心應力;3,由于溫度影響引起的熱應力。25等厚圓環(huán)法的基本思路:1，將剖面形狀復雜的輪盤沿半徑方向劃分成有限個段，每段構成一個等厚圓環(huán)，相互套接在一起，雖然整個輪盤的溫度分布沿徑向是不均勻的，但對于每個圓環(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)調和平衡關系，建立相鄰兩圓環(huán)間（由內層圓環(huán)的外徑向外層圓環(huán)的內徑）應力關系的遞推公式；3，建立整個輪盤的應力公式，確定它的邊界應力和各段圓環(huán)在平均半徑上的應力，獲得整個

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

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

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

10、r0rahdr=r0rahdra2hara+I0=2nc60nc=30r0rahdra2hara+I050臨界轉速推導：設兩支承剛性系數為c1,1=12my2c1,對于軸而言，盤出撓度為 y-1,設其剛性系數為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,可以看作一個折合的總剛性系數.當c1趨近,c折=c30葉片損壞絕大部分由振動引起。受離心力載荷和振動的交變載荷引起疲勞裂紋。對于壓氣機，重要是一二彎矩和一扭振動；對于渦輪，一彎和一扭振型。31葉片振動類型：尾跡引

11、起的強迫振動、顫振、旋轉失速、隨機振動（前二危險大）。32葉片振動因素：自振頻率、振型、振動應力。（振型：葉片以某階自振頻率振動時，葉片各部分振動的相對關系）33低頻振動最危險，頻率振幅危險性。34由于振動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），疲勞擴展區(qū)(光亮的貝殼狀振花紋),瞬時斷裂區(qū)(粗糙的斷面)；33等截面葉片振動的特點：每一微元段都是簡諧振動；所有微元段都以相同的頻率振動；振動時各微元段的相位相同。34動頻:旋轉著的葉片的自振頻率；靜頻:靜止著的葉片的自振頻率。動頻比靜頻高。35轉速與葉片彎曲自振頻率圖:1,離心力對葉片一、二階彎曲振動頻

12、率影響明顯，隨轉速升高動頻逐漸增大;2,對扭轉和其他復雜振型自振頻率的影響較小.(轉速對扭矩影響較小，因為離心力在垂直于扭轉振動平面內。動頻對低階彎曲振動影響大)36p2=E01J(dy02dr2)2dr01Ay02dr+2C1201Ay02dr( (右邊第一項為無離心力作用下的彎曲自振頻率;第二項是當葉片由平衡位置移到邊緣位置時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.隨扭轉角增加,一階頻率略有升高,二階明顯下降,三階通常上升)盤(對葉片來說等效為變形變大,剛性下降,頻率會降低)根部非固裝情況(此時葉片的各階自振頻率都

13、會明顯地降低;對抑制葉片振動有益)葉片尺寸(常用細長比l/為參數)38激振力：機械激振力、氣動激振力；氣動激振力：尾流激振旋轉失速和隨機激振；39振動阻尼種類：氣動阻尼(臨界攻角以內)構造阻尼(把許多葉片連為一體,使相鄰葉片的振動受到牽制;提高單個葉片的阻尼)材料阻尼(通常用衰減系數表示)310顫振屬于自激振動(沒有明顯的帶頻率激振源,氣流是能量來源),基本由葉片自身的幾何尺寸及材料性質決定.311排除顫振故障的方法：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(葉片頻率失調對顫振具有明顯的抑制作用;葉片在受迫振動時,頻率失調將使某些葉片的振幅平均值明顯地增大)312排除振動故障及減振

14、措施改變激振力頻率或減弱激振力(改進支柱的設計;改進燃燒室的設計;改變靜子葉片數目和柵距;其它障礙物影響;進氣道氣流流場不均的影響;放氣窗口的影響)改變葉片自振頻率(改變葉片材料;改變葉身厚度;改變銷釘孔配合間隙)提高葉片抗振阻尼(提高葉片阻尼;特殊減振構造減振凸臺,葉冠,箍帶)40圓盤振動的形式：第一類振動(振動形式對稱與中心,全部節(jié)線都是同心圓)第二類振動(扇形振動，全部振動節(jié)線沿圓盤面徑向分布的直線，稱為節(jié)徑，最容易引起輪盤損壞)51振動主要來源：轉子不平衡度和臨界轉速。根本上轉子是振源。52臨界轉速：轉子在轉速增加到某些特定轉速時，轉子撓度會明顯增大，轉速超出該轉速時撓度又明顯減小。5

15、3臨界轉速的特性：1撓度y趨于無限，對應臨界頻率，臨界轉速2當小于臨界頻率，亞臨界狀態(tài)，隨著轉速增加，撓度愈來愈大愈來愈烈3超臨界狀態(tài)，超臨界的“自位作用”,輪盤在超臨界狀態(tài)時位置是穩(wěn)定的。54當轉子越過臨界轉速，撓度明顯增加，動能提高，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，當盤位置接近支承和懸臂轉子誤差大4計算值低于精準值。56陀螺力矩：由于輪盤的偏擺，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。陀螺效應：由于高速旋轉輪盤的偏擺運動使臨界轉速發(fā)生變化的現(xiàn)象。57影響臨界轉速

16、的因素:1,軸質量2,陀螺力矩3,支承彈性4,阻尼其他影響臨界轉速的因素:1軸向力：軸向拉力使軸的橫向撓度減小，相當于增加了軸的剛性，其結果是臨界轉速有所增加2扭矩:扭矩的存在使軸的抗彎剛性降低，因而使臨界轉速下降3非圓截面軸:臨界轉速是一個范圍4盤及葉片柔性:變形后盤及葉片產生的離心力矩將減小，臨界轉速減小5連接構造:影響臨界轉速計算的精準度58整機振動現(xiàn)象往往是通過靜子機匣的振動來感受與傳遞的；振動時的最大加速度與重力加速度之比定義為過載系數k；頻譜分析是論斷發(fā)動機故障，預測故障出現(xiàn)，估計壽命，制定規(guī)范和新機研制的有利工具。59處理臨界轉速的方法:1,把轉子臨界轉速調到發(fā)動機的最大轉速以上

17、2,把轉子的低階臨界轉速調到發(fā)動機工作轉速以下(設法降低轉軸的抗彎剛性，使轉子臨界轉速下降;在不改變轉子結構的情況下,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,改善轉子平衡,將全部范圍內的振動成比例的下降。510發(fā)動機轉子不平衡的表現(xiàn)形式:1靜不平衡,由不平衡力引起,靜平衡就是使轉子在刀架上實現(xiàn)“隨遇平衡”,轉子質量和偏心矩的乘積稱為“靜不平衡度”2動不平衡,由不平衡力矩引起，動平衡就是把轉子放在動平衡機床上進行旋轉,通過在指定位置添加配種以消除不平衡力矩.511保證發(fā)動機轉子平衡性的方法:1結構設計方面:高速旋轉的零件,設計時力求其形狀對稱于旋轉軸線,同時保證必要的精度和較小的形狀誤差2裝配工藝方面:裝配順序和裝配質量都影響平衡質量3平衡工藝方面:多步平衡是減少轉子變形的一種方法,它