航空發(fā)動機(jī)受力分析.ppt

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航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu) 第三章發(fā)動機(jī)的受力分析 載荷與載荷譜的確定是實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的首要條件 3 1載荷 載荷譜及其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用靜載荷是發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 s 2 設(shè)計(jì)方法確定載荷P的大小 求出應(yīng)力 是否滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 載荷譜是發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)通俗地說 載荷譜即載荷隨時間變化的歷程 載荷譜研究包括兩個方面 1 飛行任務(wù)剖面隨發(fā)動機(jī)的使用不同而不同 2 飛行任務(wù)混頻 載荷譜研究花費(fèi)很大 飛行任務(wù)剖面圖1為發(fā)動機(jī)啟動和預(yù)熱段 2為滑行段 3為起飛段 4為爬升段 5為巡航段 6為下降段 7為盤旋段 8為轉(zhuǎn)場和下降段 9為著陸 滑行和關(guān)機(jī)段 3 2作用在各零部件上負(fù)荷 負(fù)荷類型 實(shí)際指 負(fù)荷的產(chǎn)生 1 氣體力 氣體對各零組件表面的作用 壓 力 與氣體接觸的所有零件均有氣體力 2 質(zhì)量負(fù)荷 具有質(zhì)量 或點(diǎn) 的構(gòu)件在力場 通常指速度矢量變化引起的慣性力場 中受有的作用力 3 溫度負(fù)荷 因溫度影響 受熱不均或材料不同 而引起零組件本身或相互間的約束 從而產(chǎn)生 內(nèi)在 的作用力 4 其它負(fù)荷 摩擦力 擠壓力等 負(fù)荷傳遞發(fā)動機(jī)中載荷的傳遞方式 a 在零件或組件中相互抵消而不傳遞出去 如 離心力 輪盤的熱應(yīng)力b 有些雖然傳遞給相鄰的組件或零件 但在發(fā)動機(jī)內(nèi)部抵消不傳給飛機(jī) 如 部分軸向力或扭矩c 有些則通過相鄰零件傳遞 最后傳到飛機(jī)上去 如 大部分的軸向力及慣性力 負(fù)荷引起的失效模式機(jī)械構(gòu)件的失效模式是多樣化的 含不確定性 主要取決于負(fù)荷引起的應(yīng)力變化與性質(zhì) 而不是僅僅取決于應(yīng)力的分布和水平 負(fù)荷大小與其變化規(guī)律統(tǒng)稱為 譜 3 3氣體力計(jì)算 動量定律在定常流動中 管內(nèi)流體在單位時間流出的動量與流入的動量之差 等于作用在管內(nèi)流體上的體積力與表面力的矢量和 把面力分為兩部分 1 管壁反力R壁和截面0 0 1 1處管外流體壓力R截 因此 管內(nèi)流體作用于管壁的壓力為 等于 即對于氣體 因此 直管通道設(shè)定圖示為正方向 R壁為壁面對氣體的作用力 為 方向 由動量定理可得 作用于內(nèi)壁表面的氣體力為 R壁 結(jié)論 1 管壁受有的氣體力僅與進(jìn)出口參數(shù)有關(guān) 2 截面氣體力 該截面氣體的動 靜壓之和 3 直管氣體力等于進(jìn)出口的截面氣體力代數(shù)和 4 直管氣體力恒指向收斂方向 式子中的 表示 推論 彎管氣體力的大小和方向是進(jìn)出口截面氣體力的矢量和 方向恒指離心方向 葉柵通道對于壓氣機(jī)而言 下標(biāo)z 轉(zhuǎn)子 下標(biāo)j 靜子 軸向 下標(biāo)0 向前 向后 切向 下標(biāo)t 與轉(zhuǎn)向相反 與轉(zhuǎn)向相同 對于渦輪而言 內(nèi)容雷同 從略 葉柵受力特點(diǎn) 壓氣機(jī) 動葉 軸力與流向相反 向前 切力與轉(zhuǎn)向相反靜葉 軸力與流向相反 向前 切力與轉(zhuǎn)向相同 逆于動葉 渦輪 動葉 軸力與流向相同 向后 切力與轉(zhuǎn)向相同靜葉 軸力同于動葉 向后 切力與轉(zhuǎn)向相反 逆于動葉 渦輪轉(zhuǎn)子軸向力計(jì)算 1 葉片上的氣體力P1 q g 2a 1a 2F2 1F1 0 實(shí)際為負(fù)值 即向后 2 盤前密封齒以外的氣體力P2 22 32 Pa 4 3 盤前密封齒以內(nèi)的氣體力P3 32Pb 4 4 盤后端面的氣體力P4 22 c 4 總的軸向氣體力為 Ptz P1 P2 P3 P4 實(shí)際為負(fù)值 即向后 轉(zhuǎn)子受力特點(diǎn) 1 部件軸力是氣體對所有外表面的作用力的軸向分量代數(shù)和 2 多級轉(zhuǎn)子軸力應(yīng)是各級外表面氣體軸力的代數(shù)和 典型發(fā)動機(jī)的氣體軸力分布軸力分布特點(diǎn) a 推力是發(fā)動機(jī)所有部件氣體軸力 通過傳遞后 的代數(shù)和 氣體軸力通常以擴(kuò)壓器為界 前者向前 后者向后 承力殼體以受拉為主 如果出現(xiàn)受壓則應(yīng)有局部加強(qiáng)措施 b 飛行狀態(tài)變 軸力分布變 推力變 以加力狀態(tài)為例 c 徑向止推軸承是轉(zhuǎn)子軸力傳出 向靜子 的必經(jīng)之路 可見 發(fā)動機(jī)的主軸承是轉(zhuǎn)子向靜子傳力的關(guān)鍵件 不僅支撐 還要傳力 徑向止推軸承尤其顯得重要 2 卸荷 目的 適當(dāng)減小徑向止推軸承的軸向負(fù)荷 以保證其可靠工作 措施 1 后腔 B腔 減壓到0 13 0 16MPa 則壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由 52000 降至 29000 而軸承機(jī)匣相應(yīng)由 20100 增至 2900dan 2 前腔 A腔 增壓 使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由 29000 降至25400dan 而前機(jī)匣則由 100 增至3500dan 3 壓氣機(jī) OK 與渦輪 TY 轉(zhuǎn)子相連 共軸 25400 23100 2300dan 原理 卸荷的實(shí)質(zhì)是利用各部件氣體軸力的重新分配 實(shí)現(xiàn)減小整個轉(zhuǎn)子的外傳軸力 通過徑向止推軸承傳出 故而對推力無影響 注意 每套徑向止推軸承允許承受的軸力控制在1000dan左右 過小會引起反向沖擊與滾動表面蹭傷 3 4氣體力作用于組合件上的扭矩渦輪 1 靜子渦輪靜子作用于氣流的扭矩為 Mtj qmg c1umr1m c0umr0m 通常渦輪為軸向進(jìn)氣 即c0um 0 則Mtj qmgc1umr1m根據(jù)反作用力原理 氣流給靜子的扭矩為Mtj Mtj qmgc1umr1m 2 轉(zhuǎn)子渦輪轉(zhuǎn)子作用于氣流的扭矩為Mtz qmg c2umr2m c1umr1m 由于渦輪出口氣流的方向一般接近軸向 可認(rèn)為c2u 0 則Mtz qmgc1umr1m根據(jù)反作用力原理 氣流給轉(zhuǎn)子的扭矩為Mtz Mtz qmgc1umr1m因此 Mtj Mtz即渦輪轉(zhuǎn)子與渦輪靜子所承受的扭矩大小相等 方向相反 壓氣機(jī)從整個壓氣機(jī)來說 進(jìn) 出口氣流均為軸向 c1u c2u故無動量矩變化 也就是作用于整個壓氣機(jī)的扭距為零 這就說明作用于各級靜子葉片扭矩總和的大小等于作用于各級轉(zhuǎn)子葉片的扭矩總和 但方向相反 Mcj Mcz WP發(fā)動機(jī)略去機(jī)械損失 不計(jì)傳動附件的扭矩 那么發(fā)動機(jī)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下 渦輪轉(zhuǎn)子的扭矩大約等于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的反扭矩 Mcz Mtz因此Mcj Mtj WJ發(fā)動機(jī)因?yàn)镸cz M槳 Mtz所以M槳 Mtz Mcz 0這樣Mtj Mcj Mtj Mcj 發(fā)動機(jī)承受的總的扭矩也不為零 剩余的扭矩通過安裝節(jié)傳遞到飛機(jī)上 其數(shù)值大約等于螺旋槳的扭矩 3 5機(jī)動飛行時的慣性力與慣性力矩 飛機(jī)作不等速直線或曲線飛行 在發(fā)動機(jī)上產(chǎn)生慣性里力或慣性力矩 慣性力轉(zhuǎn)子的慣性離心力為 Pj mR 2 R 2 nW式中W 重量 R 飛行軌跡的曲率半徑 過載系數(shù) 表示發(fā)動機(jī) 飛機(jī)零部件的質(zhì)量慣性力是其重量的n倍 殲擊機(jī)7 8 最大10 轟炸機(jī)最大3 2 6靜子的承力系統(tǒng) 承力系統(tǒng)定義和要求定義 在發(fā)動機(jī)靜子中 向安裝節(jié) 支承點(diǎn) 傳遞負(fù)荷的由構(gòu)件組成的主干路線稱為承力系統(tǒng) 又稱傳力方案 主干構(gòu)件主要由承力殼體 承力框架 穿過氣流通道 以及安裝節(jié)組成 2 設(shè)計(jì)要求 1 在滿足承受負(fù)荷 強(qiáng)度要求 與保證足夠剛性 影響性能 的前提下 力求簡單 輕 2 注意溫度與受力對變形帶來的影響 3 裝拆與維護(hù)方便 安裝節(jié)基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 安裝節(jié)作為聯(lián)接件 用于發(fā)動機(jī)在飛機(jī)上的固定 并傳遞它的外傳力 安裝節(jié)結(jié)構(gòu)形式不僅取決于飛機(jī)與發(fā)動機(jī)的機(jī)種 而且還與發(fā)動機(jī)在飛機(jī)上的安裝型式 安裝位置有關(guān) 1 布局原則按 靜定 結(jié)構(gòu)設(shè)置1 不致因溫度 變形或制造裝配 而引起內(nèi)應(yīng)力 飛機(jī)與發(fā)動機(jī)不是剛體 受熱 受力引起的變形量較大 所以不希望出現(xiàn) 靜不定 約束 2 設(shè)計(jì)計(jì)算精度高 對可靠性至關(guān)重要 結(jié)構(gòu)負(fù)荷只需用力平衡方程式獲得 不需用變形一致條件 2 安裝面有主 輔之分1 目的 A 利于飛機(jī)與發(fā)動機(jī)的加強(qiáng)部位相對集中 輕 易實(shí)現(xiàn) B 利于飛機(jī)與發(fā)動機(jī)的裝配 2 主按裝節(jié) 功用 A 作為發(fā)動機(jī)在飛機(jī)上的定位點(diǎn) 通常以固持鉸形式出現(xiàn) B 傳遞推力和大部分慣性力 位置要求 A 置于低溫區(qū) 對發(fā)動機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)均有好處 B 力求靠近重心 其慣性外傳力相對集中 C 推力銷不通過重心 或軸線 以避免推力線落入推力脈動園內(nèi) 或形成變向慣性力矩 從而對輔助安裝節(jié)帶來影響 3 輔助安裝節(jié) 功用 只傳遞部份橫向外傳力 并允許相對軸向位移 起發(fā)動機(jī)輔助支承和熱補(bǔ)償作用 要求 A 其位置與主安裝節(jié)間距離的確定 既要使其傳遞的橫向力減小 又要注意橫向彎矩對機(jī)匣殼體變形帶來的影響 B 其安裝部位的剛性要作適當(dāng)?shù)木植繌?qiáng)化 以保證薄壁殼體的園度