航空发动机构造及强度复习题(参考答案)20111212-学生版

航空发动机构造及强度复习题（参考答案）一、 基本概念1. 转子叶片的弯矩补偿适当地设计叶片各截面重心的连线，即改变离心力弯矩，使其与气体力弯矩方向相反，互相抵消，使合成弯矩适当减小，甚至为零，称为弯矩补偿。2. 罩量通常将叶片各截面的重心相对于轴作适当的偏移，以达到弯矩补偿的目的，这个偏移量称为罩量。3. 轮盘的局部安全系数与总安全系数局部安全系数是在轮盘工作温度与工作时数下材料的持久强度极限，与计算轮盘应力中最大周向应力或径向应力之比值。总安全系数是由轮盘在工作条件下达到破裂或变形达到不允许的程度时的转速，与工作的最大转速之比值。4. 轮盘的破裂转速随着转速的提高，轮盘负荷不断增加，在高应力区首先产生塑性变形并逐渐扩大，使应力趋于均匀，直至整个轮盘都产生塑性变形，并导致轮盘破裂，此时对应的转速称为破裂转速。5. 转子叶片的静频与动频静止着的叶片的自振频率称为静频；旋转着的叶片的自振频率称为动频；由于离心力的作用，叶片弯曲刚度增加，自振频率较静频高。6. 尾流激振气流通过发动机内流道时，在内部障碍物后（如燃烧室后）造成气流周向不均匀，从而对后面转子叶片形成激振。7. 转子的自位作用转子在超临界状态下工作时，其挠度与偏心距是反向的，即轮盘质心位于轴挠曲线的内侧，不平衡离心力相应减小，使轴挠度急剧减小，并逐渐趋于偏心距，称为“自位”作用。8. 静不平衡与静不平衡度由不平衡力引起的不平衡称为静不平衡；静不平衡度是指静不平衡的程度，用质量与偏心矩的乘积表示，常用单位为。9. 动不平衡与动不平衡度由不平衡力矩引起的不平衡称为动不平衡；动不平衡度是指动不平衡的程度，用表示，常用单位是。10. 动平衡动平衡就是把转子放在动平衡机床上进行旋转，通过在指定位置上添加配重，以消除不平衡力矩。11. 挠性转子与刚性转子轴的刚性相对于支承的刚度很小的转子系统称为挠性转子；转子的刚性相对于支承的刚性很大的转子称为刚性转子。12. 转子的临界转速转子在转速增加到某些特定转速时，转子的挠度会明显增大，当转速超过该转速时，挠度又明显减小，这种特定的转速称为转子的临界转速，是转子的固有特性。13. 涡动转轴既要绕其本身轴线旋转，同时，该轴又带动着轮盘绕两轴承中心的连线旋转，这种复合运动的总称为涡动。14. 自转与公转（进动）轮盘绕轴旋转称为自转；挠曲的轴线绕轴承连线旋转称为公转或进动。15. 转子的同步正涡动与同步反涡动自转角速度与进动角速度大小与转向均相同的涡动称为同步正涡动；自转角速度与进动角速度大小相等，但转向相反的涡动称为同步反涡动；16. 转子的协调正进动与协调反进动自转角速度与进动角速度大小与转向均相同的涡动称为同步正涡动，对应的进动称为协调正进动；自转角速度与进动角速度大小相等，但转向相反的涡动称为同步反涡动，对应的进动称为协调反进动。17. 持久条件疲劳极限规定一个足够的循环次数，以确定下的“持久疲劳极限”，称为“持久条件疲劳极限”。18. 恰当半径当盘与鼓做成一体时，由于盘和鼓筒受到应力的作用而产生变形，而在某半径处，盘的变形和鼓的变形大小相等，使二者之间没有相互约束，此半径称为恰当半径。19. 陀螺力矩在实际转子中，由于设计上的要求，轮盘往往不一定安装在轴的中央，或者相对于两支点不对称，轮盘的运动便不再仅仅作自转与横向的平面运动，而是还要产生摆动，使得它的各部分质量在运动中产生的惯性力形成了一个使轮盘不断发生偏转的力矩，这种力矩称为陀螺力矩。20. 压气机叶片的安全系数压气机叶片的安全系数是叶片材料的许用应力与计算得到的最大总应力之比。21. 应力比应力循环的特征以应力比来表示，应力比也称为循环特征，；为脉动循环，为对称循环。22. 动波振动时，两个余弦波的节线（波形）以大小相等，方向相反的角速度在盘上旋转，波形随时间变化，故称为“动波”。23. 过载系数发动机振动时的最大加速度与重力加速度之比为过载系数，用来衡量发动机的振动水平。24. 涵道比涡扇发动机外涵道和内涵道的空气质量流量之比称为涵道比，又称流量比。25. 耗油率耗油率是发动机每小时的燃油质量流量与推力或功率之比。26. 增压比增压比通常指压气机增压比，是压气机出口总压与进口总压之比。二、 基本问题1. 航空燃气涡轮发动机有哪几种基本类型？涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、供垂直/短距起落飞机用的发动机。2. 航空发动机工作叶片受到哪些负荷？气动负荷；振动负荷；热负荷；离心力负荷。3. 实际叶片的振动有哪四种类型，其中哪两种危险性最大？尾迹引起的强迫振动；颤振；旋转失速；随机振动。其中两项危险性最大。4. 对于等截面转子叶片的弯曲振动，其边界条件是什么？（叶片长为） 注：对于转子叶片，可看作为一端固定，另一端自由的悬臂梁。5. 对于等截面静子叶片的弯曲振动，其边界条件是什么？（叶片长为） 注：对于静子叶片的某些构造，可看作两端铰接的简直梁。6. 风扇叶片叶身凸台的作用是什么？为了避免发生危险的共振或颤震，叶身中部常常带一个减振凸台。用以增加刚性，改变叶片的固有频率，降低叶片根部的弯曲扭转应力，还可起阻尼减振作用。7. 在有的涡轮叶片上采用叶冠构造，其作用是什么？叶冠的作用：可减少径向漏气而提高涡轮效率；可抑制振动。8. 航空燃气涡轮发动机中，两种基本类型发动机的优缺点有哪些？离心式发动机优点是结构简单、工作可靠、稳定工作范围较宽、单级增压比高；缺点是迎风面积大，难于获得更高的增压比；轴流式发动机优点是具有增压比高、效率高、单位面积空气质量流量大、迎风阻力小；缺点是单级增压比较小，当叶片高度很小时损失增大。9. 列举整流叶片与机匣联接的三种基本方法。整流叶片可用各种形式的榫头直接固定在机匣内壁机械加工的特形环槽内；整流叶片可以通过焊接直接与机匣相连；间接固定。整流叶片安装在专门的整环或半环内、组成整流器或整流器半环，然后固定在机匣内。10. 列举压气机机匣的三种基本结构形式。整体式、分半式、分段式。11. 压气机转子设计应遵循哪些基本原则？体积小；重量轻；结构简单；工艺性好；保证可靠传动，良好的定心和平衡；具有足够的刚性。12. 压气机防喘在结构设计方面有哪些措施？级间放气；进口可调（或可转）导流叶片；可调整流叶片；多转子；处理机匣。13. 轴流式压气机转子有哪三种结构形式？各有何优缺点？有鼓式、盘式和鼓盘式三种。鼓式转子的优点是抗弯刚性好、结构简单，但是承受离心载荷能力差；盘式转子的优点是承受离心载荷能力强，但是抗弯刚性差；鼓盘式转子优点是结构简单，工作可靠，加工方便；缺点是转子零件较多，制造偏差会影响转子的定心和平衡。14. 发动机转子轴向力减荷有哪三项措施？并选其中一项说明减荷为何不影响发动机的推力。将压气机转子与涡轮转子轴向联结，抵消一部分向前的轴向力；压气机后卸荷腔通大气；压气机前卸荷腔通高压气体。以为例，压气机后卸荷腔通大气后，腔内压力大为降低，转子所受向前的力大为降低，但压气机静子向后的力也减少了同样大小，而发动机推力是发动机各部分所受气体力的轴向合力，所以推力不变。15. 叶片颤振的必要条件是什么？说明颤振与共振的区别。必要条件：相对攻角足够大；相对流速足够大。区别：颤振是自激振动，共振是它激振动；颤振极少有高阶振型，共振可能有高阶振型。16. 排除颤振故障方法有哪些？改善气流情况；增加阻尼；改变叶型设计参数；采用错频叶片转子。17. 疲劳破坏有哪些基本特征？交变应力小于下可能破坏（小应力特征）；脆断特征；累积损伤特征；局部特征；宏观和微观特征。18. 燕尾形榫头与枞树形榫头有哪些主要特点？燕尾形榫头：榫头尺寸小，重量轻，加工方便；能承受较大负荷；榫槽应力集中。枞树形榫头：承拉截面接近等强度；周向尺寸小，可安装较多叶片；可有间隙插入，可自由膨胀；便于通冷却空气；装拆及更换叶片更方便；应力集中严重，加工精度高。19. 何谓动刚度，动刚度与那些因素有关？动刚度是系统内一点上的简谐力和由该力产生的在作用方向上的位移的比值（激振力幅与强迫振动振幅之比）。动刚度不仅取决于系统的结构、力的作用点，而且还与激振力的频率有关。20. 说明疲劳损伤的理论要点。疲劳损伤是累积的结果，且满足线性叠加原理；循环比定义为，其中为加载循环次数，为疲劳寿命；单级加载时，循环比=1，即出现破坏；多级加载时，总损伤等于各循环比总和，时破坏。21. 排除叶片共振故障应从哪几个方面考虑？举例说明各方面的具体措施。改变激振力频率和降低激振力，具体措施如改变静子叶片数和采用斜装叶片；改变叶片固有频率，如叶片修缘，改变叶片安装方式；增大阻尼，如减振凸台，带冠叶片。22. 航空发动机燃烧室由哪些基本构件组成？扩压器、燃烧室机匣（壳体）、火焰筒、燃油喷嘴、点火器。23. 轮盘有几种振动形式，各举例画出一个振型图。三种形式：伞形、扇形和复合型。24. 什么是等温度盘，其温度条件是什么？轮盘的温度沿径向不变称为等温度盘，即。25. 什么是等强度盘，为什么采用等强度盘，其温度条件是什么？通过合理设计，使全盘中各处的径向和周向应力都各等于某一常数，则盘的重量应是最轻，这就是所谓的“等强度盘”。目的是使轮盘材料充分被利用，以减轻轮盘重量。温度条件：26. 涡轮部件冷却的目的是什么？提高涡轮前燃气温度，以提高发动机的性能；在涡轮前燃气温度给定的条件下，降低零件工作温度到允许的范围内，以保证这些零件有必要的机械强度；使零件内温度分布均匀，以减小热应力；提高零件工作表面的耐腐蚀性，如果将零件与燃气流隔开，可以避免对零件工作表面的侵蚀；有可能采用廉价的耐热材料。27. 涡轮叶片本身的冷却按冷却空气在叶片内部的流动状况与流出方式的不同可分为哪几种不同方式？对流冷却；喷射式冷却（冲击式冷却）；气膜冷却；发散冷却。28. 在涡轮部件上采用的冷却、散热、隔热措施有哪些？29. 气冷式涡轮转子叶片的温度分布规律及危险截面位置是什么？30. 涡轮盘盘缘处的热应力在发动机工作中的变化规律是什么？涡轮转子链接的基本要求是什么？31. 简述可拆卸涡轮转子中，盘-轴、盘-盘的联接方法。可拆式的盘轴联接是利用联接件将盘与轴联接起来，常用的连接件有长螺栓、短螺栓和套齿等；可拆式的盘与盘联接有采用悬臂式转子，每级盘前后端面都有联接凸台，利用长、短螺栓与轴联接在一起；采用长短螺栓混合使用的挑担式结构；近代发动机，级数大于3的涡轮中，盘盘联接广泛采用短螺栓连接。32. 环形燃烧室的四种基本类型是什么？带单独头部的环形燃烧室；全环形燃烧室；折流式环形燃烧室；回流式环形燃烧室。33. 燃油喷嘴的功用是什么？主要有哪几种类型？燃油喷嘴的功用是将燃油雾化（或汽化），加速混合气形成，保证稳定燃烧和提高燃烧效率。离心喷嘴；气动喷嘴；蒸发喷嘴（蒸发管）；甩油盘式喷嘴。34. 列举扩压器的三种结构形式。一级扩压的扩压器；二级扩压的扩压器；突然扩张的扩压器。35. 燃烧室的功用是什么？燃烧室是用来将燃油中的化学能转变为热能，将压气机增压后的高压空气加热到涡轮前允许的温度，以便进入涡轮和排气装置内膨胀做功的部件。36. 根据主要构件结构形式的不同，燃烧室可分为哪些基本类型？分管（单管）、环管、环形。37. 加力燃烧室有哪些基本构件组成？加力燃烧室由扩压器、火焰稳定器、输油圈及燃油喷嘴、点火装置、加力燃烧室壳体等部分组成，在双涵道发动机中还包括混合器。38. 火焰稳定器的功用。火焰稳定器的功用是使气流产生紊流，形成回流区，加速混气的形成和加强燃烧过程，稳定火焰和提高完全燃烧度。39. 火焰稳定器有哪几种类型？机器式火焰稳定器。包括：V型槽式环形的稳定器，V型槽式的径向稳定器；蒸发式火焰稳定器；沙丘驻涡火焰稳定器；气动式火焰稳定器。40. 加力燃烧室预燃系统的功用？加力燃烧室预燃系统的功用是在发动机起动加力燃烧室时，迅速、安全、可靠地点燃加力燃烧室的油气混合气。41. 涡扇发动机加力燃烧室常采用哪几种预燃方式，为什么？涡扇发动机加力燃烧室的压力脉动会通过外涵传至风扇，引起风扇甚至整个压气机喘振。为此，在喷油和点火方面采用以下措施：采用值班火焰稳定器，实行软点火，即现在稳定器内部供油点火，然后再在整个加力燃烧室分区起动；采用分区、分压供油，保证供油量均匀变化，避免压力脉动，并可使发动机推力连续可调；为了防止点火未成前就大量供油，在有些发动机上采用了点火检测器和喷口随动机构。42. 为什么加力燃烧室的输油圈有主副之分？为了满足不同加力状态供应燃油的要求，保证供油质量。43. 加力燃烧室的喷嘴有哪几种类型？离心式喷嘴、射流式喷嘴。44. 亚音速喷口和超音速喷口的截面分别是什么形状的？超音速喷管类型主要有多鱼鳞片式、双鱼鳞片式、移动尾椎体式、气动调节式。45. 对刚性联轴器的基本要求是什么？需将压气机轴与涡轮轴刚性地联成一体。46. 对柔性联轴器的基本要求是什么？允许涡轮转子相对压气机转子轴线有一定的偏斜角。47. 简述对支承结构的设计要求。要求不仅保证转子的横向刚性和可靠地承受转子的负荷，还应使发动机结构简单、拆卸方便。需要解决转子采用几个支承结构（支点）、支点形式、安排在何处等方案设计。48. 涡轮附近的支承结构特点是什么？涡轮附近支承结构的主要问题是热影响较大。不但要注意在选择轴承的材料，而且在结构上还要采用隔热措施，防止高温热源向轴承大量传热，同时要增加滑油供油量加强冷却，以避免轴承工作恶化。例如JT3D高压涡轮前支承采用热节流措施，在轴承座外部还有含石棉夹层的隔热罩。49. 发动机的静子承力系统有哪几种典型方案？单转子发动机传力方案：内传力方案，外传力方案，内外混合传力方案，内外平行传力方案。双转子发动机传力方案：50. 在发动机转子叶片进行强度计算时，计算点是如何选取的？在对转子叶片进行强度计算时，选取下列几种情况作为计算点：发动机设计点（即地面试车状态，），应作为基本计算点；低温低空高速飞行状态，这时发动机空气流量最大，取， 进行计算；高空低速飞行状态，这时发动机空气流量最小，取，进行计算。51. 画出等温空心等厚盘与等温实心等厚盘在无外载情况下的应力分布曲线，分析中心开孔对盘上应力分布的影响。等温等厚空心盘与实心盘比较，中心孔为无限小（即针孔）时，盘中心处的周向应力是实心盘中心应力的两倍；盘中心开孔总使应力水平加大，并且孔边应力为最大，但随着中心孔经的增大，轮盘应力分布反而趋于均匀。52. 写出转子叶片叶根和叶尖处的边界条件，并画出等截面转子叶片13阶弯曲振型图。53. 列出无重轴段的传递矩阵。54. 列出通过点质量时站的传递矩阵。55. 绘出转子作同步正涡动和同步反涡动时轴上纤维受力情况图。56. 分析航空发动机整机振动的主要激振源。一类是与转速有关的规律性振源，有转子不平衡力引起的激振力，传动齿轮、叶栅尾流引起的激振力；一类是与转速无关的非规律性振源，有压气机喘振，振荡燃烧等。三、 分析与计算1. 试分析涡喷发动机工作时，压气机转子和静子以及涡轮转子和静子所受气体力的方向和气体力扭矩的方向。2. 说明WP7发动机转子支承方案的两条优点和两条缺点。航空发动机结构分析p2433. 有一个半径为，温度为的等温实心等厚盘，已知外缘处的径向应力为，根据以下公式推导出此轮盘的和的计算公式，并绘图说明。 参见航空发动机强度计算p32。4. 下图所示为某发动机的涡轮盘与轴的联结结构，试分析其传力（轴向力、扭矩和径向力）、定心和热节流是如何实现的。1轴承；2. 涡轮轴；3. 衬套; 4. 螺栓; 5. 轴的安装边; 6. 套齿; 7. 轮盘; 8. 盘的安装边。航空发动机构造p705. 下图所示为涡轮盘与轴的短螺栓联接，试分析其定心、传力和热节流方法，并指出这两种联结方式那种更好？ 航空发动机构造p716. 有一叶片高度为，沿轴正方向受到大小沿叶高不变的气体力 (单位叶高受力)。计算叶根截面三点的弯曲应力