航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和渦輪輪盤(pán)的載荷特點(diǎn)及計(jì)算狀態(tài)

壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子的功能與結(jié)構(gòu)，雖然有差別，但從強(qiáng)度說(shuō)，兩者的輪盤(pán)工作條件是大致相同的，不過(guò)渦輪盤(pán)是處在更高的溫度下，這意味著渦輪盤(pán)的工作環(huán)境更為苛刻。

(a)軸流式；(b)離心式

壓氣機(jī)盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)或渦輪盤(pán)承受的載荷有以下幾種：

一、質(zhì)量離心力

輪盤(pán)要承受因轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的葉片及輪盤(pán)等自身的質(zhì)量離心力，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮以下的幾種轉(zhuǎn)速狀態(tài)：

• 飛行包線范圍內(nèi)規(guī)定的強(qiáng)度計(jì)算點(diǎn)上的穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速；

• 型號(hào)規(guī)范中規(guī)定的最大允許穩(wěn)態(tài)，工作轉(zhuǎn)速；

• 115%和122%最大允許穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速。

安裝在盤(pán)上的葉片、鎖片、擋板、螺栓、螺帽和螺釘?shù)攘慵?，都位于輪盤(pán)的邊緣，通常輪盤(pán)外緣取在榫槽的槽底。假設(shè)這些載荷均勻分布于輪盤(pán)外緣的表面上，則均布載荷為：

式中， 為所有外載荷的總和，為輪盤(pán)外圓的半徑， 為輪盤(pán)外緣軸向?qū)挾取?/span>

當(dāng)榫槽槽底與輪盤(pán)的旋轉(zhuǎn)軸線平行時(shí)，外緣半徑取為槽底所在位置的半徑；當(dāng)榫槽槽底與輪盤(pán)的旋轉(zhuǎn)軸線在徑向有一傾斜角時(shí)，則外緣半徑近似取為前后緣槽底半徑的平均值。

二、熱載荷

輪盤(pán)要承受因受熱不均引起的熱載荷，對(duì)于壓氣機(jī)盤(pán)，熱載荷一般可以忽略。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比和飛行速度的提高，壓氣機(jī)出口氣流已達(dá)到很高的溫度。所以，壓氣機(jī)前后幾級(jí)盤(pán)的熱載荷有時(shí)也不可忽略。對(duì)于渦輪盤(pán)，熱應(yīng)力是僅次于離心力的重要影響因素，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮以下類型的溫度場(chǎng)：

• 飛行包線中規(guī)定的各強(qiáng)度計(jì)算的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)；

• 典型飛行循環(huán)中的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)；

• 典型飛行循環(huán)中的過(guò)渡態(tài)溫度場(chǎng)。

在估算時(shí)，若原始數(shù)據(jù)無(wú)法充分提供，也沒(méi)有實(shí)測(cè)溫度可參考，這時(shí)可以根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)及最高熱載荷狀態(tài)的氣流參數(shù)進(jìn)行估算，估算盤(pán)上溫度場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中， 為所求半徑處的溫度，為盤(pán)中心孔處的溫度，為盤(pán)輪緣處的溫度， 為盤(pán)上任意半徑，下腳標(biāo)0、分別對(duì)應(yīng)中心孔和輪緣。

• =2，對(duì)應(yīng)無(wú)強(qiáng)迫冷卻時(shí)的鈦合金和鐵素體鋼；

• =4，對(duì)應(yīng)有強(qiáng)迫冷卻時(shí)的鎳基合金。

1. 對(duì)于高壓壓氣機(jī)盤(pán)

穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：

• 在無(wú)冷卻氣流冷卻時(shí)，可以認(rèn)為無(wú)溫差存在；

• 在有冷卻氣流冷卻時(shí)，可近似取為各級(jí)通道氣流的出口溫度+15℃，可近似取為抽取冷卻氣流級(jí)的氣流出口溫度+15℃。

瞬態(tài)溫度場(chǎng)：

• 可近似取為各級(jí)通道氣流的出口溫度；

• 沒(méi)有冷卻氣流時(shí)，可近似取輪緣溫度的50%；有冷卻氣流時(shí)，可近似取冷卻氣流抽取級(jí)出口溫度。

2. 對(duì)于渦輪盤(pán)

穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：

為葉片根部的截面溫度；榫頭的溫降，可近似取。榫頭不冷卻時(shí)△=50-100℃；榫頭冷卻時(shí)△=250-300℃。

瞬態(tài)溫度場(chǎng)：

• 冷卻葉片的盤(pán)可近似?。核矐B(tài)溫度梯度=1.75×穩(wěn)態(tài)溫度梯度；

• 不帶冷卻葉片的盤(pán)可近似?。核矐B(tài)溫度梯度=1.3×穩(wěn)態(tài)溫度梯度。

三、由葉片傳來(lái)的氣體力（軸向和周向力）及輪盤(pán)前、后端面上的氣體壓力

1. 由葉片傳來(lái)的氣體力

對(duì)于壓氣機(jī)葉片，作用在單位葉高上的氣體力分量為：

軸向：

式中，Z、Q為葉片的平均半徑和葉片數(shù)；為進(jìn)出口截面處氣流的密度；amam 為進(jìn)出口截面平均半徑處氣流的軸向速度；為進(jìn)出口截面平均半徑處氣流的靜壓.

周向：

式中，umum 為進(jìn)出口截面平均半徑處氣流的周向速度。

2. 對(duì)于渦輪葉片

氣體上的氣體力的方向與上邊兩個(gè)公式相差一個(gè)負(fù)號(hào)。兩級(jí)輪盤(pán)（特別是壓氣機(jī)輪盤(pán)）之間的空腔里，一般都有一定的壓力。如果相鄰空間內(nèi)的壓力不同，則對(duì)兩空腔之間的輪盤(pán)造成壓力差，△一般△對(duì)輪盤(pán)靜強(qiáng)度影響較小，特別是在輪盤(pán)輻板上開(kāi)有空時(shí)，△ 可以忽略。

四、機(jī)動(dòng)飛行時(shí)產(chǎn)生的陀螺力矩

對(duì)于帶有風(fēng)扇葉片的大直徑風(fēng)扇盤(pán)，應(yīng)考慮陀螺力矩對(duì)盤(pán)的彎曲應(yīng)力和變形的影響。

五、葉片及盤(pán)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷

葉片及輪盤(pán)發(fā)生振動(dòng)時(shí)在輪盤(pán)中產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力，應(yīng)與靜應(yīng)力疊加。一般動(dòng)載荷有：

• 葉片受到的周期性不均勻氣體力。由于流道內(nèi)支架及分離式燃燒室的存在，導(dǎo)致氣流沿周向不均勻，從而給葉片產(chǎn)生一個(gè)周期性不平衡的氣體激振力。這個(gè)激力的頻率為：。其中，為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，為支架或燃燒室的個(gè)數(shù)。

• 盤(pán)表面所受周期性不均勻氣體壓力。

• 通過(guò)相連的軸、連接環(huán)或其他零件傳給盤(pán)的激振力。這是由于軸系的不平衡，導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)或轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)，從而將帶動(dòng)與之相連接的盤(pán)一起振動(dòng)。

• 多轉(zhuǎn)子渦輪葉片之間存在復(fù)雜的干擾力，他們將對(duì)盤(pán)、片系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生影響。

• 盤(pán)片耦合振動(dòng)。盤(pán)邊耦合振動(dòng)與盤(pán)片系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性相關(guān)，當(dāng)盤(pán)片系統(tǒng)所受的激振力與系統(tǒng)的某階動(dòng)頻接近時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)生共振，并產(chǎn)生振動(dòng)應(yīng)力。

六、盤(pán)與軸連接處的裝配應(yīng)力

盤(pán)與軸的過(guò)盈配合將對(duì)盤(pán)產(chǎn)生裝配應(yīng)力，裝配應(yīng)力的大小取決于過(guò)盈配合量、盤(pán)和軸的尺寸及材料等因素，且與盤(pán)上受到的其他載荷有關(guān)。如離心載荷和溫度應(yīng)力的存在，會(huì)使盤(pán)中心孔變大，使過(guò)盈量減小，從而使裝配應(yīng)力減小。

在上述各種載荷中，質(zhì)量離心力和熱載荷占主要成分，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)速與溫度的如下組合：

• 飛行包線中規(guī)定的各強(qiáng)度計(jì)算點(diǎn)的轉(zhuǎn)速與相應(yīng)該點(diǎn)的溫度場(chǎng)；

• 最大熱載荷點(diǎn)或飛行中最大溫差的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與最大允許穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速，亦或在飛行中達(dá)到最大允許穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速時(shí)相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

• 對(duì)多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，起飛往往是最惡劣的應(yīng)力狀態(tài)，因此應(yīng)考慮起飛時(shí)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)（達(dá)到最大溫差時(shí)）與起飛最大工作轉(zhuǎn)速的組合。

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