航空發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析.ppt

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),第三章 發(fā)動(dòng)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(dòng)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(mǎn)足 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則？,載荷譜是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 通俗地說(shuō)，載荷譜即載荷隨時(shí)間變化的歷程。 載荷譜研究包括兩個(gè)方面： (1) 飛行任務(wù)剖面 隨發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(pán)旋段；8為轉(zhuǎn)場(chǎng)和下降段；9為著陸、滑行和關(guān)

2、機(jī)段。,3.2 作用在各零部件上負(fù)荷,負(fù)荷類(lèi)型(實(shí)際指“負(fù)荷的產(chǎn)生”) (1)氣體力 氣體對(duì)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(chǎng)(通常 指速度矢量變化引起的慣性力場(chǎng))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(dòng)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(pán)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(dòng)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

3、則通過(guò)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(chēng)為“譜”。,33 氣體力計(jì)算,動(dòng)量定律 在定常流動(dòng)中，管內(nèi)流體在單位時(shí)間流出的動(dòng)量與流入的動(dòng)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(duì)于氣體： ，因此：,直管通道 設(shè)定圖示為正方向“+”， R壁 為壁面對(duì)氣體的作用力(為

4、“+”方向)，由動(dòng)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(dòng)、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(duì)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(duì)于渦輪而言：(內(nèi)容雷同，從略),葉柵受力特點(diǎn)： 壓氣機(jī)：動(dòng)葉 軸力與流向相反(向前)

5、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(dòng)葉) 渦 輪： 動(dòng)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(dòng)葉 （向后） 切力與轉(zhuǎn)向相反(逆于動(dòng)葉),渦輪轉(zhuǎn)子軸向力計(jì)算 (1)葉片上的氣體力 P1qg(2a-1a)2F21F1 0 (實(shí)際為負(fù)值，即向后) (2)盤(pán)前密封齒以外的氣體力 P2(2232)Pa /4 (3)盤(pán)前密封齒以?xún)?nèi)的氣體力 P332Pb/4 (4)盤(pán)后端面的氣體力 P422c/4,總的軸向氣體力為： PtzP1P2P3P4 (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(duì)所有外表面的作用力的軸向分 量代數(shù)和； 2) 多級(jí)轉(zhuǎn)子

6、軸力應(yīng)是各級(jí)外表面氣體軸力的代數(shù)和。,典型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體軸力分布 軸力分布特點(diǎn)： a.推力是發(fā)動(dòng)機(jī)所有部件氣體軸力(通過(guò)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(jiàn)，發(fā)動(dòng)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 0.13-0.16 MPa，則壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由+520

7、00降至(+29000)，而軸承機(jī)匣相應(yīng)由-20100增至(+2900 dan)； 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 3500 dan； 3) 壓氣機(jī)(OK)與渦輪(TY)轉(zhuǎn)子相連(共軸).25400-23100=2300 dan.,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(gè)轉(zhuǎn)子的外傳軸力 (通過(guò)徑向止推軸承傳出)。故而對(duì)推力無(wú)影響。 注意：每套徑向止推軸承允許承受的軸力控制在 1000 dan 左右，過(guò)小會(huì)引起反向沖擊與滾動(dòng)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

8、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(gè)壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)，進(jìn)、出口氣流

9、均為軸向, c1u=c2u 故無(wú)動(dòng)量矩變化，也就是作用于整個(gè)壓氣機(jī)的扭距為 零。這就說(shuō)明作用于各級(jí)靜子葉片扭矩總和的大小等 于作用于各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的扭矩總和，但方向相反， Mcj=-Mcz,WP 發(fā)動(dòng)機(jī) 略去機(jī)械損失，不計(jì)傳動(dòng)附件的扭矩，那么發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī) 因?yàn)?Mcz+M槳=-Mtz 所以 M槳=-Mtz-Mcz 0 這樣 MtjMcj |Mtj|Mcj| 發(fā)動(dòng)機(jī)承受的總的扭矩也不為零，剩余的扭矩通過(guò)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(dòng)飛行時(shí)的慣性力與慣性力

10、矩,飛機(jī)作不等速直線(xiàn)或曲線(xiàn)飛行，在發(fā)動(dòng)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=mR2= R2=nW 式中 W重量，R飛行軌跡的曲率半徑； 過(guò)載系數(shù)，表示發(fā)動(dòng)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) 78，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(dòng)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(xiàn)稱(chēng)為承力系統(tǒng)(又稱(chēng)傳力方案)。 主干構(gòu)件主要由承力殼體、承力框架(穿過(guò)氣流通道)以及安裝節(jié)組成。 (2) 設(shè)計(jì)要求： 1)在滿(mǎn)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(jiǎn)單、輕。 2)

11、注意溫度與受力對(duì)變形帶來(lái)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(dòng)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(dòng)機(jī)的機(jī)種；而且還與發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)的加強(qiáng)部位相對(duì)集中 輕、易實(shí)現(xiàn)。 B.利于飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配。 2) 主按裝節(jié)： * 功用： A.作為發(fā)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)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(duì)集中)。 C.推力銷(xiāo)不通過(guò)重心 (或軸線(xiàn))，以避免