由于操作过于频繁,请点击下方按钮进行验证!

航空发动机压气机和涡轮轮盘的载荷特点及计算状态

国际金属加工网 2022年04月19日

压气机和涡轮转子的功能与结构,虽然有差别,但从强度观点说,两者的轮盘工作条件是大致相同的,不过涡轮盘是处在更高的温度下。

(a)轴流式;(b)离心式

压气机盘结构图

涡轮盘结构图

航空发动机压气机盘或涡轮盘承受的载荷有以下几种:

一、质量离心力

轮盘要承受因转子旋转时引起的叶片及轮盘等自身的质量离心力,在强度计算时应考虑以下的几种转速状态:

  • 飞行包线中规定的各强度计算的稳态温度场;

  • 典型飞行循环中的稳态温度场;

  • 典型飞行循环中的过渡态温度场。

在估算时,若原始数据无法充分提供,也没有实测温度可参考,这时可以根据设计状态及卓越热载荷状态的气流参数进行估算,估算盘上温度场的经验公式为:

式中,F 为所有外载荷的总和,R 为轮盘外圆的半径,H 为轮盘外缘轴向宽度。

当榫槽槽底与轮盘的旋转轴线平行时,外缘半径取为槽底所在位置的半径;当榫槽槽底与轮盘的旋转轴线在径向有一倾斜角时,则外缘半径近似取为前后缘槽底半径的平均值。

二、热载荷

轮盘要承受因受热不均引起的热载荷,对于压气机盘,热载荷一般可以忽略。但随着发动机总压比和飞行速度的提高,压气机出口气流已达到很高的温度。所以,压气机前后几级盘的热载荷有时也不可忽略。对于涡轮盘,热应力是仅次于离心力的重要影响因素,计算时应考虑以下类型的温度场:

飞行包线中规定的各强度计算的稳态温度场;

典型飞行循环中的稳态温度场;

典型飞行循环中的过渡态温度场。

在估算时,若原始数据无法充分提供,也没有实测温度可参考,这时可以根据设计状态及卓越热载荷状态的气流参数进行估算,估算盘上温度场的经验公式为:

式中,T 为所求半径处的温度,T0 为盘中心孔处的温度,Tb 为盘轮缘处的温度,R 为盘上任意半径,下脚标0、b 分别对应中心孔和轮缘。

m=2,对应无强迫冷却时的钛合金和铁素体钢;

m=4,对应有强迫冷却时的镍基合金。

1. 对于高压压气机盘

稳态温度场:

在无冷却气流冷却时,可以认为无温差存在;

在有冷却气流冷却时,Tb可近似取为各级通道气流的出口温度+15℃,T0 可近似取为抽取冷却气流级的气流出口温度+15℃。

瞬态温度场:

Tb 可近似取为各级通道气流的出口温度;

T0 没有冷却气流时,可近似取轮缘温度的50%;有冷却气流时,可近似取冷却气流抽取级出口温度。

2. 对于涡轮盘

稳态温度场:

Tb0 为叶片根部的截面温度;△T 为榫头的温降,可近似取。榫头不冷却时△T=50-100℃;榫头冷却时△T=250-300℃。

瞬态温度场:

带冷却叶片的盘可近似取:瞬态温度梯度=1.75×稳态温度梯度;

不带冷却叶片的盘可近似取:瞬态温度梯度=1.3×稳态温度梯度。

三、由叶片传来的气体力(轴向和周向力)及轮盘前、后端面上的气体压力

1. 由叶片传来的气体力

对于压气机叶片,作用在单位叶高上的气体力分量为:

轴向:

式中,Zm、Q为叶片的平均半径和叶片数;ρ1mρ2m 为进出口截面处气流的密度;C1amC2am 为进出口截面平均半径处气流的轴向速度;p1mp2m 为进出口截面平均半径处气流的静压.

周向:

式中,C1umC2um 为进出口截面平均半径处气流的周向速度。

2. 对于涡轮叶片

气体上的气体力的方向与上边两个公式相差一个负号。两级轮盘(特别是压气机轮盘)之间的空腔里,一般都有一定的压力。如果相邻空间内的压力不同,则对两空腔之间的轮盘造成压力差,△p=p1-p2。一般△p 对轮盘静强度影响较小,特别是在轮盘辐板上开有空时,△p 可以忽略。

四、机动飞行时产生的陀螺力矩

对于带有风扇叶片的大直径风扇盘,应考虑陀螺力矩对盘的弯曲应力和变形的影响。

五、叶片及盘振动时产生的动载荷

叶片及轮盘发生振动时在轮盘中产生的振动应力,应与静应力叠加。一般动载荷有:

  • 飞行包线中规定的各强度计算点的转速与相应该点的温度场;

  • ※大热载荷点或飞行中※大温差的稳态温度场与※大允许稳态工作转速,亦或在飞行中达到※大允许稳态工作转速时相应的稳态温度场。

  • 对多数发动机来说,起飞往往是※恶劣的应力状态,因此应考虑起飞时的瞬态温度场(达到※大温差时)与起飞※大工作转速的组合。

(DyRoBeS微信公众号(ID:dyrobes),内容源于网络及航空发动机经典教材。)

声明:本网站所收集的部分公开资料来源于互联网,转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传,对此类作品本站仅提供交流平台,不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请第一时间告知,我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容,以保证您的权益!联系电话:010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。

网友评论 匿名:
雄克
欧特克

编辑推荐

您关注的品牌

您关注的主题

猜您喜欢

分享到

相关主题