航空发动机受力分析.ppt

航空发动机结构 第三章发动机的受力分析 载荷与载荷谱的确定是实现计划的首要条件 3 1载荷 载荷谱及其在结构设计中的作用静载荷是发动机结构静强度设计的基础 1 设计准则 s 2 设计方法确定载荷P的大小 求出应力 是否满足设计准则 载荷谱是发动机结构疲劳寿命设计的基础通俗地说 载荷谱即载荷随时间变化的历程 载荷谱研究包括两个方面 1 飞行任务剖面随发动机的使用不同而不同 2 飞行任务混频 载荷谱研究花费很大 飞行任务剖面图1为发动机启动和预热段 2为滑行段 3为起飞段 4为爬升段 5为巡航段 6为下降段 7为盘旋段 8为转场和下降段 9为着陆 滑行和关机段 3 2作用在各零部件上负荷 负荷类型 实际指 负荷的产生 1 气体力 气体对各零组件表面的作用 压 力 与气体接触的所有零件均有气体力 2 质量负荷 具有质量 或点 的构件在力场 通常指速度矢量变化引起的惯性力场 中受有的作用力 3 温度负荷 因温度影响 受热不均或材料不同 而引起零组件本身或相互间的约束 从而产生 内在 的作用力 4 其它负荷 摩擦力 挤压力等 负荷传递发动机中载荷的传递方式 a 在零件或组件中相互抵消而不传递出去 如 离心力 轮盘的热应力b 有些虽然传递给相邻的组件或零件 但在发动机内部抵消不传给飞机 如 部分轴向力或扭矩c 有些则通过相邻零件传递 最后传到飞机上去 如 大部分的轴向力及惯性力 负荷引起的失效模式机械构件的失效模式是多样化的 含不确定性 主要取决于负荷引起的应力变化与性质 而不是仅仅取决于应力的分布和水平 负荷大小与其变化规律统称为 谱 3 3气体力计算 动量定律在定常流动中 管内流体在单位时间流出的动量与流入的动量之差 等于作用在管内流体上的体积力与表面力的矢量和 把面力分为两部分 1 管壁反力R壁和截面0 0 1 1处管外流体压力R截 因此 管内流体作用于管壁的压力为 等于 即对于气体 因此 直管通道设定图示为正方向 R壁为壁面对气体的作用力 为 方向 由动量定理可得 作用于内壁表面的气体力为 R壁 结论 1 管壁受有的气体力仅与进出口参数有关 2 截面气体力 该截面气体的动 静压之和 3 直管气体力等于进出口的截面气体力代数和 4 直管气体力恒指向收敛方向 式子中的 表示 推论 弯管气体力的大小和方向是进出口截面气体力的矢量和 方向恒指离心方向 叶栅通道对于压气机而言 下标z 转子 下标j 静子 轴向 下标0 向前 向后 切向 下标t 与转向相反 与转向相同 对于涡轮而言 内容雷同 从略 叶栅受力特点 压气机 动叶 轴力与流向相反 向前 切力与转向相反静叶 轴力与流向相反 向前 切力与转向相同 逆于动叶 涡轮 动叶 轴力与流向相同 向后 切力与转向相同静叶 轴力同于动叶 向后 切力与转向相反 逆于动叶 涡轮转子轴向力计算 1 叶片上的气体力P1 q g 2a 1a 2F2 1F1 0 实际为负值 即向后 2 盘前密封齿以外的气体力P2 22 32 Pa 4 3 盘前密封齿以内的气体力P3 32Pb 4 4 盘后端面的气体力P4 22 c 4 总的轴向气体力为 Ptz P1 P2 P3 P4 实际为负值 即向后 转子受力特点 1 部件轴力是气体对所有外表面的作用力的轴向分量代数和 2 多级转子轴力应是各级外表面气体轴力的代数和 典型发动机的气体轴力分布轴力分布特点 a 推力是发动机所有部件气体轴力 通过传递后 的代数和 气体轴力通常以扩压器为界 前者向前 后者向后 承力壳体以受拉为主 如果出现受压则应有局部加强措施 b 飞行状态变 轴力分布变 推力变 以加力状态为例 c 径向止推轴承是转子轴力传出 向静子 的必经之路 可见 发动机的主轴承是转子向静子传力的关键件 不仅支撑 还要传力 径向止推轴承尤其显得重要 2 卸荷 目的 适当减小径向止推轴承的轴向负荷 以保证其可靠工作 措施 1 后腔 B腔 减压到0 13 0 16MPa 则压气机转子由 52000 降至 29000 而轴承机匣相应由 20100 增至 2900dan 2 前腔 A腔 增压 使压气机转子由 29000 降至25400dan 而前机匣则由 100 增至3500dan 3 压气机 OK 与涡轮 TY 转子相连 共轴 25400 23100 2300dan 原理 卸荷的实质是利用各部件气体轴力的重新分配 实现减小整个转子的外传轴力 通过径向止推轴承传出 故而对推力无影响 注意 每套径向止推轴承允许承受的轴力控制在1000dan左右 过小会引起反向冲击与滚动表面蹭伤 3 4气体力作用于组合件上的扭矩涡轮 1 静子涡轮静子作用于气流的扭矩为 Mtj qmg c1umr1m c0umr0m 通常涡轮为轴向进气 即c0um 0 则Mtj qmgc1umr1m根据反作用力原理 气流给静子的扭矩为Mtj Mtj qmgc1umr1m 2 转子涡轮转子作用于气流的扭矩为Mtz qmg c2umr2m c1umr1m 由于涡轮出口气流的方向一般接近轴向 可认为c2u 0 则Mtz qmgc1umr1m根据反作用力原理 气流给转子的扭矩为Mtz Mtz qmgc1umr1m因此 Mtj Mtz即涡轮转子与涡轮静子所承受的扭矩大小相等 方向相反 压气机从整个压气机来说 进 出口气流均为轴向 c1u c2u故无动量矩变化 也就是作用于整个压气机的扭距为零 这就说明作用于各级静子叶片扭矩总和的大小等于作用于各级转子叶片的扭矩总和 但方向相反 Mcj Mcz WP发动机略去机械损失 不计传动附件的扭矩 那么发动机在稳定工作状态下 涡轮转子的扭矩大约等于压气机转子的反扭矩 Mcz Mtz因此Mcj Mtj WJ发动机因为Mcz M桨 Mtz所以M桨 Mtz Mcz 0这样Mtj Mcj Mtj Mcj 发动机承受的总的扭矩也不为零 剩余的扭矩通过安装节传递到飞机上 其数值大约等于螺旋桨的扭矩 3 5机动飞行时的惯性力与惯性力矩 飞机作不等速直线或曲线飞行 在发动机上产生惯性里力或惯性力矩 惯性力转子的惯性离心力为 Pj mR 2 R 2 nW式中W 重量 R 飞行轨迹的曲率半径 过载系数 表示发动机 飞机零部件的质量惯性力是其重量的n倍 歼击机7 8 最大10 轰炸机最大3 2 6静子的承力系统 承力系统定义和要求定义 在发动机静子中 向安装节 支承点 传递负荷的由构件组成的主干路线称为承力系统 又称传力方案 主干构件主要由承力壳体 承力框架 穿过气流通道 以及安装节组成 2 设计要求 1 在满足承受负荷 强度要求 与保证足够刚性 影响性能 的前提下 力求简单 轻 2 注意温度与受力对变形带来的影响 3 装拆与维护方便 安装节基本结构特点 安装节作为联接件 用于发动机在飞机上的固定 并传递它的外传力 安装节结构形式不仅取决于飞机与发动机的机种 而且还与发动机在飞机上的安装型式 安装位置有关 1 布局原则按 静定 结构设置1 不致因温度 变形或制造装配 而引起内应力 飞机与发动机不是刚体 受热 受力引起的变形量较大 所以不希望出现 静不定 约束 2 设计计算精度高 对可靠性至关重要 结构负荷只需用力平衡方程式获得 不需用变形一致条件 2 安装面有主 辅之分1 目的 A 利于飞机与发动机的加强部位相对集中 轻 易实现 B 利于飞机与发动机的装配 2 主按装节 功用 A 作为发动机在飞机上的定位点 通常以固持铰形式出现 B 传递推力和大部分惯性力 位置要求 A 置于低温区 对发动机和飞机结构均有好处 B 力求靠近重心 其惯性外传力相对集中 C 推力销不通过重心 或轴线 以避免推力线落入推力脉动园内 或形成变向惯性力矩 从而对辅助安装节带来影响 3 辅助安装节 功用 只传递部份横向外传力 并允许相对轴向位移 起发动机辅助支承和热补偿作用 要求 A 其位置与主安装节间距离的确定 既要使其传递的横向力减小 又要注意横向弯矩对机匣壳体变形带来的影响 B 其安装部位的刚性要作适当的局部强化 以保证薄壁壳体的园度