结构分析复习总结.pdf

1 第三 四代发动机的基本特点 第三代战斗机所用发动机大多是七十年代以后开始研制的 发动机推重比大于 8 0 其主 要特点是 起初的性能指标选取的偏高 在工艺过程中使用了大量新技术 新材料和新结构 缺少相应的可靠性 耐久性验证 致使在使用中出现了大量可靠性问题甚至影响到飞机的飞 行 使第三代发动机的研制 改型时间较长 在近三十年的使用过程中出现了大量的改进型 号 同时也使航空发动机的设计标准和方法有了质的变化 表 1 7 典型第三代战斗机 机机 型型 用用 途途 生产年份及架次生产年份及架次 动力装置动力装置 国家国家 F 15 双发歼敌机 1968 年招标 1972 年 7 月首飞 1974 年 11 月交付使用 F100 PW 100 美国 F 16 单发歼敌机 1972 年启动 1978 年底交付空 军 至 1984 年 7 月交付 3835 架 F100 PW 220 F100 PW 229 F110 GE 100 F110 GE 129 F100 PW 220 美国 F A 18 舰载歼敌攻 击机 1974 年启动 1978 年 11 月首 飞 1980 年 5 月交付海军 至 1992 年 1 月装备海军 1050 架 F404 GE 400 F414 GE 400 美国 苏 27 双发歼敌机 84 年服役 31 前苏联 米格 29 双发歼敌机 83 年服役 33 前苏联 米格 31 双发攻击机 八十年代初期 苏 33 苏 35 双发歼敌机 90 年代 31 改型 狂风 Tornado 双发歼敌机 1978 年 7 月服役 RB199 欧州 幻影 2000 双发歼敌机 1983 服役 M53 发动机 法国 第四代发动机特点 具有超音速巡航能力 推重比大于 10 0 采用矢量喷管 为飞机提供短 距起落和非常规机动能力 具有隐身能力 加力推重比提高 20 典型战机 F 22 猛禽 EFA2000 EFA 2 高涵道比涡扇发动机未来发展方向和主要特征 主要特征 高涵道比的涡扇发动机具有耗油率低 噪声低 排气污染小的特点 所以十分适合在大型民航客机上使用 然而 高涵道比也会带来一些缺陷 主要 是排气速度和单位推力的下降 引起发动机迎风面积增加 推重比降低 这样就 会影响飞机的机动性 发展方向 提高发动机性能 可靠性与耐久性 提高发动机动力 多公司合作研 制 进行大量严格的试验 追求高的经济性 留有大的温度裕度 广泛应用先进 技术 在大涵道比风扇发动机风扇设计要求是什么 现代发动机上是如何设计的 设计要求 1 较好的抗外物打伤能力 2 抗腐蚀性能好 3 风扇的整体重量 不能太大 4 风扇产生的噪音不能太大 5 较好的包容措施 6 防止低压轴 折断 风扇飞出措施 7 抗振动 特别是抗颤振性能好 8 较好的强度设计 如 GE90 GE90 的风扇是当前世界上直径最大的 1 叶片采用宽弦设计 有助 于提高强度 降低振动 2 风扇采用了小增压比 1 5 低叶尖切线速度的设 计 有助于获得较好的抗鸟撞击能力与低的噪音值 3 GE90 上采用可符合材料 风扇叶片 GE90 的风扇轮盘做成多盘的盘鼓混合式轮盘 能够降低风扇整体重 量 提高抗振动 抗颤振性能好 3 推重比 8 涡扇发动机总体结构特点 普惠 PW 100 低压转子采用 1 1 1 支承方案 高压转子采用 1 1 0 支承方案 整个发动机有 5 个支点 4 个承力框架 分别是进气机匣 中介机匣 扩压器机 匣和涡轮后承力机匣 转子系统由 3 级风扇 10 级压气机 2 级高压涡轮和 2 级低压涡轮组成 GE 公司的 F110 转子系统由 3 级风扇 9 级压气机 1 级高压涡轮和 2 级低压涡 轮组成 低压转子采用 1 1 1 支承方案 高压转子采用 1 0 1 支承方案 共 5 个支点 3 个承力框架 进气机匣 中介机匣和涡轮后承力机匣 俄罗斯高推重比发动机 RD 33 高压转子采用后端通过中介轴承支承低于低压转子的 1 0 1 支承方案 低压转子采用 1 1 1 支承方案 并采用柔性联轴器 AL 31F 低压转子采用 1 2 1 支承方案 高压转子采用 1 0 1 支承方案 两 转子之间采用联轴器 4 燃气涡轮发动机的分类和应用范围 涡喷发动机 燃气发生器口的高温高压燃气在尾喷管中膨胀加速 向后方高速喷射 即 燃气直接喷射 通过其反作用力推动发动机 这种发动机成为涡喷发动机 早期作为军用飞 机的动机 也在民用飞机上使用 涡轮螺桨发动机 将燃气涡轮发动机燃气发生器出口的部分或大部分用于做功 通过动 力涡轮转变为轴功 轴功驱动螺旋桨的发动机 我扇发动机 轴功驱动外涵压气机的发动机成为涡轮风扇发动机 简称涡扇发动机 现 在普遍用于民航飞机 战斗机和地面发电 涡轴发动机 燃气发生器后的燃气可用能量去哪不用来驱动动力涡轮 则燃气涡轮发动 机就变成了涡轴发动机 用来驱动直升飞机的旋翼或地面车辆 发电等 5 总体结构设计内容 转子结构设计 转子支承方案设计 支承结构设计和承力框架设计以及相关辅助系统的设计 和各部件之间的协调 此外 还包括连接结构设计 以及结构系统质量 刚度的分布和承力 系统的传力路线设计 最终目的是实现发动机结构的完整性 6 结构设计与动力学设计的关系 在结构设计中要求考虑对整机结构动力学的影响 主要包括 静子件与轴系变形和动力响应 协调 径向间隙和轴向间隙分析和叶片丢失 外物打伤 碰摩和气流激励下的振动响应 7 转子临界转速的含义 临界转速定义为 系统共振时发生主响应的特征转速 即 转子系统的临界转速指转子系统 在自身不平衡激振力作用下产生同步进动 共振 时的转速 是转子系统固有特性 8 什么是柔性转子 什么是刚性转子 根据转子的工作状态和力学特性 从平衡的观点出发 常把转子分成两类 刚性转子和 挠性转子 一般来说 凡是工作转速远低于转子的一阶弯曲临界转速的转子视为刚性转 子 而把工作转速接近或超过转子的一阶弯曲临界转速的转子视为挠性转子 刚性转子是指 刚度相当大 转子在不平衡离心惯性力的作用下所产生的动挠度很小 以致在转子工作和平 衡的过程中可以忽略不计 挠性转子由于在运转及平 衡时将产生挠曲变形 其情况要复杂得多 9 如何提高转子弯曲刚度 转子系统的弯曲刚度应尽量接近等刚度设计 从而保证转子系统的整体性 动力性最优 是 实际设计中一般按照刚度和质量沿轴向分布协调的原则 以保证转子系统整体的变形协调 即质量大的部位 刚性大 不允许质量集中于刚度较薄弱的位置 10 连接结构稳定性内涵 转子连接结构稳定性 刚度稳定性和接触状态稳定性 对于刚度稳定性 横向载荷和预紧力 是各种连接结构刚度稳定性的关键影响参数 对于接触状态稳定性 在疲劳载荷作用下可能 产生附加不平衡量 主要包括 连接结构同心度稳定性 机械 连接结构刚度稳定性 力学 连接结构接触状态 稳定性 失效 11 航空轴承结构特点 结构重量轻 具有足够的刚度 能保证旋转轴到轴承座之间的传力 并缓解它们之间的冲击 和振动 轴承能承受转子的径向负荷 或同时承受轴向和径向两种负荷 具有较大的承载能 力 为了实现航空发动机转子系统的准确轴向定位和径向跳动量的有效控制 在转子支 承上采用滚珠和棍棒轴承 在发动机中 为了可以增加接触角与滚珠数目 同时保持架能做 成整体式 一般采用内环分开的滚珠轴承 为使分半不会影响滚珠的工作 大多数发动机主 推力轴承均做成内环分开的三点接触式轴承 12 轴承的冷却润滑与空气封严 在喷油嘴喷射滑油时 必须将滑油喷射到保持架和内环之间 这样在滚子转动的离心效 应下 滑油可以很好地对滚子进行冷却润滑 为了进一步提高冷却效率 在现代发动机中 大多对轴承采用环下共有冷却的结构 喷油嘴射到轴承内环下面 通过相应的沟槽留到滚珠 轴承的内环分半处 通过其间隙在离心效应的作用 甩向滚珠 进行冷却 篦齿封严泄漏量大 泄漏量与间隙成正比 为减少密封泄漏 往往采用小间隙设计 篦 齿封严环目前在发动机上得到广泛采用 但是它属于非接触式密封装置 泄漏量比接触式的 大 且在工作中会磨损 造成泄漏量加大 使发动机性能衰退快 直齿 斜齿 梯形齿 石墨封严为了适应尺寸小 重量轻的要求 密封性能好 功耗损失小 但占用空间大 不能适应静子与转子之间的相对位移 高压比压气机后轴承腔设计中 为避免高压 高温空 气漏入轴承腔 使进入滑油的热负荷维持在允许的水平内 一般的端面石墨密封件封严效果 好 轴承的滚子在工作中 如果阻尼力大于牵引力 则滚子与滚道之间发生滑动 滑动式不 允许的 因为滚子的滑动会产生大量的热量 从而损坏滚子和内外滚动 加大轴承的预载可 以防止滑动和相应的损伤 13 联轴器结构分析 低压联轴器 AL 31F 低压联轴器低压联轴器 AL 31F 低压联轴器低压联轴器 由于低压转子采用四支点支承方案 七联轴器既要传递扭矩又要保证涡轮轴压气机在工作时 不会产生由于转子系统不同心所产生的附加振动 因此 低压转子采用四个支点低压联轴器 多用途但复杂 在联轴器设计中 必须解决的问题是 保证在风扇转子和低压涡轮转子不同 心的情况下 转子系统的稳定工作 同时可以传递大的扭矩和轴向力 在 AL 31F 低压转子 联轴器的结构设计中 采用轴向力传递路线和扭矩传递路线分别设计的概念 通过传扭套齿 短轴和风扇后的轴承衬套分别连接风扇轴和涡轮轴 其中利用三队套齿的间隙以适应转子的 不同心 特点 柔性结构 易于安装 具有有效保护作用 14 支承方案 RD 33 支承方案 4 级低压压气机 9 级高压压气机 1 级低压涡轮 1 级高压涡轮 该发动机高压转子采用了 后端通过中介轴承支承于低压转子的1 0 1支承方案 低压转子采用 1 1 1三支点支承方案 并采用柔性联轴器 为避免低压转子工作时产生的振动对高压转子的影响 将高压转子后支 点轴承和低压转子的后支点轴承 4 5 置于垂直于轴线的同一平面上 AL 31F 发动机支承方案 AL 31F 低压转子的支承方案采用 1 2 1 四点支承方案 即风扇转子支承于 2 个支点 1 2 低压涡轮也支承于 2 个支点 3 6 两转子间采用传递扭矩与轴向力的特殊的柔性联 轴器连接 高压转子仍采用 1 0 1 两支点方案 且后支点为中介支点 由于低压涡轮转子支 承于两个支点上 工作时非常平稳 因而通过中介轴承支承于低压涡轮转子上的高压转子 工作非常稳定 但这种支承方案却使低压转子的联轴器及涡轮前支点的结构变复杂 14 PW4000 高压转子前支承结构 PW4000 发动机高压转子压气机前支点结构 该支点为滚珠轴承 具有折返式弹性支承 由 拉杆的长度和个数调整支承刚度 挤压油膜阻尼器是由轴承座和限位环之间的间隙组成 在 轴承上带有涨圈封油 轴承采用内环分半和环下供油结构 油腔的封严采用普惠公司传统的 端面石墨封严 15 中介轴承的使用 GE 公司 的效果 中介轴承一般为滚棒轴承 减小转子长度 节省一个承力框架 降低发动机重量 轴承 的供油 封严 安装困难 转子间的动力影响较大 采用中介轴承与否要从发动机整机结构考虑 16 轴系刚性的基本要求 高压转子刚度要求 轴系具有高的弯曲刚度 刚度 质量轴向分布应尽量接近等截面梁 轴系在工作转速范围内无弯曲临界转速 低压转子刚度要求 风扇和低压涡轮部件应具有较高的局部刚性 应尽量减小风扇和涡轮 处的变形 17 低压轴断裂 对于低压涡轮轴 由于结构设计上高压转子的限制 使得其轴直径较小 而且大直径风扇需 要其传递由多级低压涡轮产生的巨大扭矩驱动 此外 由于风扇进口太易受外物打伤而卡死 也会引起轴的扭断 当低压轴扭断时 会引起涡轮转子超转 涡轮盘破裂 对发动机 以致 飞机产生危险极大的二次损伤 预防措施 增加一套风扇保持装置 加大低压转子前轴承的滑油喷油量 采用新的低压 转子前轴承处封严装置 低压轴断裂后转子向后移动 转子叶片与静子相碰可产生刹车止转的作用 采用位移触发机 构切断燃油 RB211 发动机风扇盘甩出故障分析 低压转子前轴承处滑油供油量不足时造成风扇甩出的主 要原因 由于润滑不良 开始在轴承上造成轻微损伤 使转子稍有偏转 从而引起滑油封严 装置的静止件与转动件相互摩擦 封严间隙加大 导致滑油向外泄露 泄露的滑油流入高温 腔室 引起燃烧 风扇轴在滑油燃烧的高温下变软 强度降低 在风扇向前的轴向力作用下 折断 风扇由前方甩出 18 RD 33 高压转子连接形式及高压涡轮结构设计特点 对于压气机转子的前段 由于在推重比 8 一级的发动机高压转子结构采用 1 0 1 支承 方案 为了缩短支点间的跨度 将前轴承安装在 1 2 级轮盘内部 这样的前轴颈径向尺寸 受到限制 为了提高前轴颈与盘的连接刚度 在结构设计上将 3 级盘与轴颈做成一体 并 且从 4 级盘缘伸出一锥壳与 3 级盘通过螺栓相连接 这样在 3 4 级盘间形成一个整体的环 腔结构 提高了前轴颈与盘的连接刚度 对于压气机 3 级盘和封严盘则采用长螺栓连接 该结构可以较好的完成不同材料盘间的连接和便于装配 在 6 级和 7 级盘连接结构上 采 用后锥壳与长螺栓连接 以提高连接刚度 该结构可以有效提高压气机后端轴段的弯曲刚 度 优化的传扭鼓筒和止口的位置和紧度 也保证了连接的稳定性 在高压涡轮转子结构设计上 在后轴颈设计上采用盘与轴颈一体化结构设计 以提高 连接刚度和结构稳定性 并采用打径向孔通过冷却空气进行冷却 以保证后支点轴承环境 温度 在涡轮盘与涡轮轴的连接结构设计中 采用螺栓连接 其按前段延伸段上加工有直 端齿用于传扭 为减低在盘上开螺栓连接孔对盘寿命的影响 通过在封严盘内侧设计导风 孔 增加涡轮盘前缘的冷却 以提高强度 19 F110 高压转子连接形式及高压涡轮结构设计特点 压气机和涡轮的级间连接结构上都采用了环腔结构 10 级压气机盘级间采用了轮缘止口定 位和轮盘幅板内部短螺栓拉紧的环腔结构 2 级涡轮盘级间在盘心处通过安装边采用短螺栓 与轴连接 在轮缘处通过封严套筒轴向压紧 从而形成 2 级涡轮盘一体化的环腔结构 高压涡轮转子采用 2 级高压涡轮结构 在涡轮盘轴的连接结构设计上 采用轴颈和连接鼓筒 双层环腔的结构 该结构可以有效保证涡轮转子的整体性和刚度 并在高压涡轮前安置轴承 这样可以有效控制涡轮盘的振动幅值和角位移 20 航空发动机故障分析中的一般步骤是什么 1 收集残骸 2 孤立故障源 分清肇事者 被害者 3 分析失效形式 判断损伤机理 进行端口分析 判断性质 通过模拟试验 计算 分析 资料等确定 4 材质 工艺和结构分析 5 强度校核 计算分析损坏件的应力状态 6 使用中发动机的情况调查 了解损坏件在工作中的真实工况 是否具有普遍性 对重大事故应进行普查 7 进行结构分析 结构分析重点是在综合各方面的信息 8 进行故障再试试验 9 总结并提出改进措施 10 检查 分析时应进行的工作 断口分析 材料分析 工艺分析 强度核算 结构分析 综合分析 21 试举例说明在现代航空发动机中提高压气机或涡轮部件效率的结构措施 1 风扇采用宽弦复合材料叶片 提高风扇效率 GE90 2 整体叶盘 减轻重量 提高盘叶结合强度 提高效率 F119 3 压气机机匣开斜槽 减少二次损失 提高叶片效率 PW4000 4 压气机正交叶片 在性能上采用的措施以提高压气机效率 PW4000 5 采用带冠的涡轮叶片 气动性能好 二股气流明显减少 RB211 6 机匣的压气机叶片 涡轮叶片对应的圆周增加涂层 有效减少损失 提高效率 22 现代衡量航空发动机的标准主要是在满足性能要求的基础上保证期 可靠性 耐久性和 适应性 同时也要考虑其全寿命成本 试说明其含义 可靠性定义 发动机在规定的工作条件下 规定的时间内 完成产品既定任务的能力 对发动机而言 在发动机飞行包线内 在规定的寿命期内能正常发出规定的推力的能力 适应性定义 指发动机的飞行包线范围内 发动机能满足型号规范中所规定的功能 性 能和耐久性的要求 即发动机的飞行包线范围内的各种条件下 发动机均能工作 耐久性定义 指发动机能正常工作的持续期限 即使用寿命 发动机的全寿命是指发动机从论证开始到报废为止的整个过程 全寿命成本是发动机研制 制造 及维护的总成本 应改用全寿命成本来综合衡量发动机的经济性水平 而不能局 限于制造成本或燃油消耗成本 23 发动机结构的完整性的定义 目标和基本内容 量化安全与失效之间的科学与技术 指与发动机安全使用 费用和功能有关的强度 刚度 振动 损伤 容限及耐久性等发动机所要求的结构性能的总成 有组织 有条理低对航 空发动机进行结构设计 分析 实验 研究 定性 生产和寿命管理的方法 目标 保证发动机结构安全性和耐久性 降低全寿命期的费用 提高出勤率 主要内容 结构安全 使用耐久性 维修性准则 地面广泛实验 环境说明 24 AL 31F 结构设计特点 1 风扇机匣为整体分段 a 风扇位司机 带变弯度的导向叶片 e 双排出口叶片 b 高展弦比叶片 抗外物打伤能力低 f 风扇与盘的连接为斜榫根 c 风扇前三级带中间凸扇 d 风扇四级后有处理机匣