燃?xì)廨啓C(jī)強(qiáng)度-第二章

燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度

（強(qiáng)度篇）動(dòng)力與能源工程學(xué)院岳國(guó)強(qiáng)、董平第二章葉片強(qiáng)度

Stressing

ofDiscs本章主要內(nèi)容2.1概述2.2輪盤強(qiáng)度計(jì)算基本公式2.3簡(jiǎn)單幾何形狀輪盤強(qiáng)度計(jì)算2.4復(fù)雜型面輪盤強(qiáng)度近似計(jì)算2.5輪盤安全系數(shù)3/472.1概述非包容性故障(擊穿機(jī)匣)。CF6是通用電氣公司研制的一種高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。裝機(jī)對(duì)象：波音747-100，波音747-20，波音747-300，波音767，空中客車A300(CF6-80C2A5，推力61560磅）、空中客車A310（CF6-80C2A2，推力52500磅）、空中客車A330（CF6-80E1A2，推力67500磅）；DC-10-10（CF6-6D，推力41000磅）。4/475/472.1概述2006年6月2日，一架美洲航空公司的波音767-223（ER）型客機(jī)，飛行員報(bào)告稱，當(dāng)飛機(jī)在爬升過(guò)程中，感覺(jué)左發(fā)推力小于右發(fā)，航空公司安排地勤工程師將飛機(jī)從登機(jī)口轉(zhuǎn)移到維修點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)車。工程師單獨(dú)對(duì)左發(fā)進(jìn)行試車，將左發(fā)進(jìn)行慢車-最大工況-慢車的試車，連續(xù)進(jìn)行了兩次，當(dāng)?shù)诙斡勺畲蠊r拉回到慢車的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)減速到95%轉(zhuǎn)速時(shí)，左發(fā)著火，左機(jī)翼及左機(jī)翼后的機(jī)身相繼著火。6/47經(jīng)檢查，左發(fā)在高壓渦輪單元斷成前后兩截，高壓渦輪1、2級(jí)盤已甩離發(fā)動(dòng)機(jī)，2級(jí)盤在距飛機(jī)不遠(yuǎn)處被發(fā)現(xiàn)，還是較完整，1級(jí)盤則破裂成四塊，其中一塊大斷片摔到地面后反彈上來(lái)，擊中距左發(fā)約14米處的右發(fā)尾噴管并嵌入到尾噴管中。渦輪盤第2個(gè)大斷片飛越一條跑道和一條滑行道后，落到距飛機(jī)約760米處接近機(jī)場(chǎng)防護(hù)柵欄處。這兩塊大斷片在甩離發(fā)動(dòng)機(jī)后的經(jīng)歷，說(shuō)明甩出發(fā)動(dòng)機(jī)的這些斷片的能量是非常大。7/472.1概述對(duì)破裂的高壓渦輪的檢查發(fā)現(xiàn)，輪盤是由輪緣到中心孔徑向斷裂的，裂紋起始點(diǎn)位于裝葉片的一個(gè)榫槽底部后緣圓角處的微小點(diǎn)坑。對(duì)斷裂表面用電子顯微鏡放大掃描后，得出斷口的金相形態(tài)為晶間疲勞，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)另外兩個(gè)葉片榫槽在槽底后圓角處也各有1個(gè)裂紋，其起始點(diǎn)也為微坑。據(jù)NTSB稱，晶間疲勞裂紋是典型的應(yīng)力過(guò)高超出材料所允許應(yīng)力值的反應(yīng)。2000年9月22日，一架美囯航空公司的波音767-2B7(ER)客機(jī)，其所用的CF6-80C2B2發(fā)動(dòng)機(jī)在費(fèi)城國(guó)際機(jī)場(chǎng)進(jìn)行地面維修性試車時(shí)，在大工況下1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了1級(jí)高壓渦輪輪盤非包容的故障，甩出發(fā)動(dòng)機(jī)的斷片造成飛機(jī)左翼下部著火，使飛機(jī)及1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)受到損壞。2002年12月28日，一架新西蘭航空公司的波音767-219(ER)客機(jī),當(dāng)飛機(jī)爬升到3400米時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪輪盤有一塊從輪緣到輪轂的斷片甩出，打穿發(fā)動(dòng)機(jī)及短艙，打壞飛機(jī)左翼前緣，但飛機(jī)成功在不列斯班迫降，機(jī)上190名乘客及10名機(jī)組人員無(wú)人傷亡。8/47**NTSB是美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)NationalTransportationSafetyBoard2.1概述當(dāng)高壓渦輪盤在高速下破裂時(shí)，大斷塊甩出發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的能量是巨大的，能對(duì)飛機(jī)造成極大危害；CF6-80A與CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)分別于1982年與1985年投入使用，到2006年出現(xiàn)美洲航空公司事件時(shí)，已工作20多年，據(jù)2003年6月的統(tǒng)計(jì)，當(dāng)時(shí)共有3756臺(tái)在使用中，累積工作時(shí)間超過(guò)1億1千萬(wàn)小時(shí)，說(shuō)明CF6-80系列發(fā)動(dòng)機(jī)已是很成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)，但是，由于某些環(huán)節(jié)上的疏忽，或設(shè)計(jì)上存在一些不足，仍會(huì)造成危害程度極大的故障，因此，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的工程技術(shù)人員一定要謹(jǐn)慎認(rèn)真地待設(shè)計(jì)、制造與裝配工作。9/4710/472.1概述2.1概述11/472.1概述12/472.1概述13/47**陀螺力矩：繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸在空間中改變方位時(shí)所表現(xiàn)出的抗阻力矩，通常稱為陀螺力矩2.2輪盤強(qiáng)度計(jì)算基本公式發(fā)動(dòng)機(jī)彈性狀態(tài)下非均勻受熱輪盤的基本應(yīng)力方程假設(shè):滿足連續(xù)、均勻、各向同性假設(shè)；輪盤是薄盤，應(yīng)力沿厚度方向均勻分布（等厚度、變厚度）；14/47與中間平面相平行的各平面間不產(chǎn)生正應(yīng)力，即輪盤處于平面應(yīng)力狀態(tài)；外界負(fù)荷沿輪緣圓周及輪緣寬度均勻分布；輪盤的應(yīng)力和變形是軸對(duì)稱性的；在同一半徑處的環(huán)形截面上各點(diǎn)的應(yīng)力相同（不同半徑處應(yīng)力則不同）；各環(huán)形截面上只有徑向應(yīng)力；通過(guò)旋轉(zhuǎn)中心的徑向截面上只有周向應(yīng)力；溫度沿輪盤圓周方向及厚度方向均勻分布，僅隨半徑變化；輪盤材料特性不隨溫度變化。15/472.2輪盤強(qiáng)度計(jì)算基本公式根據(jù)輪盤形狀和應(yīng)力軸對(duì)稱特點(diǎn)，在輪盤上取任一微元體ABCD來(lái)研究，這個(gè)微元體的邊界是由半徑r和r+dr的兩個(gè)同心圓周面，以及角為dθ的兩個(gè)徑向截面OA和OB組成。16/47OABCD17/47ρσ西格瑪18/47σr和σt19/47[]**廣義胡克定路20/47泊松比是指材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對(duì)值的比值，也叫橫向變形系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。21/4722/47σr和σtεr和εt23/47εr和εt2.3簡(jiǎn)單幾何形狀輪盤強(qiáng)度計(jì)算24/472.3.1等厚度盤25/4726/47K1及K2222.3.1.1等溫實(shí)心等厚盤27/4728/47增大k2倍強(qiáng)度比是材料的強(qiáng)度（斷開(kāi)時(shí)單位面積所受的力）除以其表觀密度。又被稱為強(qiáng)度－重量。比強(qiáng)度越高表明達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所用的材料質(zhì)量越輕29/472.3.1.2等溫空心等厚盤30/47K1及K231/4732/4733/4734/4735/4736/4737/4738/4739/4740/4741/4742/472.3.1.4非均熱盤、熱應(yīng)力43/47σa=0

對(duì)于實(shí)心盤44/47K1及K2K1及K2對(duì)于空心盤45/47K1及K2K1及K246/47實(shí)心盤47/47空心盤48/4749/47總應(yīng)力50/4751/472.3.2錐形盤52/47實(shí)心錐形盤53/47帶孔錐形盤54/472.3.3等強(qiáng)度盤55/4756/472.3.3.1等強(qiáng)度盤溫度條件57/4758/472.3.3.2等強(qiáng)度盤的幾何條件59/4760/47等強(qiáng)度盤剖面形狀61/4762/4763/4764/47等強(qiáng)度剖面形狀及許用應(yīng)力65/4766/47等強(qiáng)度盤的實(shí)現(xiàn)67/4768/4769/4770/472.4復(fù)雜型面輪盤強(qiáng)度近似計(jì)算71/472.4.1等厚圓環(huán)法的基本思路72/472.4.2等厚圓環(huán)計(jì)算公式73/47（1）內(nèi)外環(huán)面應(yīng)力遞推矩陣形式74/47（2）相鄰圓環(huán)間應(yīng)力遞推75/4776/47（3）整個(gè)輪盤應(yīng)力遞推77/4778/4779/472.4.3計(jì)算公式離心力80/47（1）第一次試算81/47（2）第二次試算82/47（3）應(yīng)力修正83/47（2）熱應(yīng)力84/47（3）總應(yīng)力85/472.4.4輪緣徑向應(yīng)力確定86/47注意問(wèn)題