南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 2发动机受力分析 由结构完整性计划看出,载荷与载荷谱的确定是实现计划的首要条件。 2.1载荷、载荷谱及其在结构设计中的作用 2.1.1静载荷是发动机结构静强度设计的基础 (1)设计准则:0≤σ。 (2)设计方法 确定载荷P的大小→求出应力→是否满足设计准则? 叶型设计提供面积A 2.1.2载荷谱是发动机结构疲劳寿命设计的基础 通俗地说,载荷谱即载荷随时间变化的历程。载荷谱硏究包括两个方面 (1)飞行任务剖面 随发动机的使用不同而不同。 (2)飞行任务混频 *载荷谱研究花费很大。 2.2作用在各零部件上负荷 2.2.1负荷类型(实际指“负荷的产生”) (1)气体力 气体对各零组件表面的作用(压)力 与气体接触的所有零件均有气体力 (2)质量负荷——具有质量(或点)的构件在力场(通常指速度矢量变化引起 的惯性力场)中受有的作用力 (3)温度负荷 因温度影响(受热不均或材料不同)而引起零组件本身或相互间的约束,从 而产生“内在”的作用力
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人：能源与动力学院 宋迎东 2 发动机受力分析 由结构完整性计划看出，载荷与载荷谱的确定是实现计划的首要条件。 2.1 载荷、载荷谱及其在结构设计中的作用 2.1.1 静载荷是发动机结构静强度设计的基础 P P A A (1)设计准则: σ≤σs (2)设计方法 确定载荷 P 的大小→求出应力→是否满足设计准则？ ↑ 叶型设计提供面积 A 2.1.2 载荷谱是发动机结构疲劳寿命设计的基础 通俗地说，载荷谱即载荷随时间变化的历程。载荷谱研究包括两个方面： (1) 飞行任务剖面 随发动机的使用不同而不同。 (2)飞行任务混频 * 载荷谱研究花费很大。 2.2 作用在各零部件上负荷 2.2.1 负荷类型(实际指“负荷的产生”) (1)气体力 —— 气体对各零组件表面的作用(压)力。 与气体接触的所有零件均有气体力。 (2)质量负荷——具有质量(或点)的构件在力场(通常指速度矢量变化引起 的惯性力场)中受有的作用力。 (3) 温度负荷 因温度影响(受热不均或材料不同)而引起零组件本身或相互间的约束，从 而产生“内在”的作用力
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 (4)其它负荷 摩擦力、挤压力等 2.2.2负荷方向 上述负荷通常均以分布力(体力、面力)出现。实际使用中,可用合力或合 力矩表示,它们的方向有轴向、横向(径向)、切向之分。 2.2.3负荷传递性 (1)定义 传递性系指负荷沿给定物体(零组件、气体、液体)的传递过程。它们的传 递路线主要用于定性分析时的结构强度要求。(目的) (2)传递特点 a)处于平衡(静止)状态的传递路线呈“封闭式”。如果“封闭路线”位于 研究对象的范围内,那么它们的负荷则称为内在力;否则为外传力。 b)随着研究对象的范围划分和约束的位置变化,内在力和外传力要发生 相互转化。 (3)传递方式 a.不同零组件间必须要有承压面—传递压力 传递摩擦力(剪切力) 举例:两个用螺栓连接在一起的机匣,受拉和受压时承压面的不同 b)同一零件本身T取决于作用力与约束间的相对位置 L单向应力按流线比拟(注意圣维南原理模糊区)
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人：能源与动力学院 宋迎东 (4) 其它负荷 摩擦力、挤压力等。 2.2.2 负荷方向 上述负荷通常均以分布力(体力、面力)出现。实际使用中，可用合力或合 力矩表示，它们的方向有轴向、横向（径向）、切向之分。 2.2.3 负荷传递性 (1) 定义 传递性系指负荷沿给定物体(零组件、气体、液体)的传递过程。它们的传 递路线主要用于定性分析时的结构强度要求。(目的) (2) 传递特点 a) 处于平衡(静止)状态的传递路线呈“封闭式”。如果“封闭路线”位于 研究对象的范围内，那么它们的负荷则称为内在力；否则为外传力。 b) 随着研究对象的范围划分和约束的位置变化, 内在力和外传力要发生 相互转化。 (3) 传递方式 a.不同零组件间必须要有承压面┬─ 传递压力 └─ 传递摩擦力(剪切力) 举例：两个用螺栓连接在一起的机匣，受拉和受压时承压面的不同。 b)同一零件本身┬ 取决于作用力与约束间的相对位置 └ 单向应力按流线比拟(注意圣维南原理模糊区)
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 (3)发动机中载荷的传递方式 a.在零件或组件中相互抵消而不传递出去。 如:离心力、轮盘的热应力 b.有些虽然传递给相邻的组件或零件,但在发动机内部抵消不传给飞机 如:部分轴向力或扭矩 c.有些则通过相邻零件传递,最后传到飞机上去。 如:大部分的轴向力及惯性力 2.2.4负荷引起的失效模式 机械构件的失效模式是多样化的(含不确定性),主要取决于负荷引起的应 力变化与性质,而不是仅仅取决于应力的分布和水平 负荷大小与其变化规律统称为“谱”。 r静强度、静刚度 不同载荷谱(或应力谱)十动强度(疲劳)、动刚度十引起不同失效模式 断裂强度(裂纹扩展) 2.3气体力计算 2.3.1动量定律 在定常流动中,管内流体在单位时间流出的动量与流入的动量之差,等于 作用在管内流体上的体积力与表面力的矢量和。 mv:-mo=R体+R面 把面力分为两部分:(1)管壁反力R和截面0-0、1-1处管外流体压力 因此 R。=(mⅴ,-mⅴ0)+(-R体-R) 管内流体作用于管壁的压力为R壁,等于-R壁,即 R壁=一R壁=(mvo-mv1)+(R体+R 对于气体:R体=0,因此 Rg=R壁=( mv orma1)+R截
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人：能源与动力学院 宋迎东 (3)发动机中载荷的传递方式 a.在零件或组件中相互抵消而不传递出去。 如：离心力、轮盘的热应力 b.有些虽然传递给相邻的组件或零件，但在发动机内部抵消不传给飞机。 如：部分轴向力或扭矩 c.有些则通过相邻零件传递，最后传到飞机上去。 如：大部分的轴向力及惯性力 ２.2.４ 负荷引起的失效模式 机械构件的失效模式是多样化的(含不确定性)，主要取决于负荷引起的应 力变化与性质，而不是仅仅取决于应力的分布和水平。 负荷大小与其变化规律统称为“谱”。 ┌ 静强度 、 静刚度 ─┐ 不同载荷谱(或应力谱) ┼ 动强度(疲劳)、 动刚度┼引起不同失效模式 └ 断裂强度(裂纹扩展) ─┘ 2．3 气体力计算 2．3．1 动量定律 在定常流动中，管内流体在单位时间流出的动量与流入的动量之差，等于 作用在管内流体上的体积力与表面力的矢量和。 m v 1-m v 0=R 体+R 面 把面力分为两部分：（1）管壁反力R 壁和截面 0-0、1-1 处管外流体压力R 截，因此： R 壁=（m v 1-m v 0）+（-R 体-R 截） 管内流体作用于管壁的压力为 / R 壁，等于-R 壁，即 / R 壁=-R 壁=（m v 0-m v 1）+（R 体+R 截） 对于气体：R 体=0，因此： / R 壁=-R 壁=（m v 0-m v 1）+ R 截
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 2.3.2直管通道 设定图示为正方向“+”,R壁为壁面对气体的作用力(为“+”方向),由动 量定理可得, mc1mc=PFo-P1F1+R壁 =mci-mCo-PoFo+PF=(mc,+PF)-(mco-PoFo 作用于内壁表面的气体力R垂为 Rs=-Ra=-[(mcI+PIF,)-(mco-PoFo)] 出口≥进口(试证明!) 结论: (1)管壁受有的气体力仅与进出口参数有关 (2)截面气体力=该截面气体的动、静压之和。 (3)直管气体力等于进出口的截面气体力代数和 (4)直管气体力恒指向收敛方向。(式子中的“-”表示) 推论: 弯管气体力的大小和方向是进出口截面气体力的矢量和(方向恒指离心方 向)。 直观解释: 思考题 (1)收敛喷管的受力向后,问去掉喷管后发动机推力是不是就要加大? (2)加力后加力燃烧室前的气流参数不变,那么发动机的推力为什么增大? 2.3.2叶栅通道 对于压气机而言:(下标z 转子,下标j一静子)
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人：能源与动力学院 宋迎东 ２.3.2 直管通道 设定图示为正方向“+”， R壁 为壁面对气体的作用力(为“+”方向)，由动 量定理可得， mc1-mc0=P0F0-P1F1+R壁 R壁=mc1-mc0-P0F0+P1F1=(mc1+P1F1)-(mc0+P0F0) 作用于内壁表面的气体力R/ 壁为 R/ 壁＝- R壁= - [(mc1+P1F1) - (mc0+P0F0)] └───┘ └───┘ 出口 ≥ 进口 （试证明！） 结论： (1)管壁受有的气体力仅与进出口参数有关。 (2)截面气体力＝该截面气体的动、静压之和。 (3)直管气体力等于进出口的截面气体力代数和。 (4)直管气体力恒指向收敛方向。（式子中的“-”表示） 推论： 弯管气体力的大小和方向是进出口截面气体力的矢量和(方向恒指离心方 向)。 直观解释： 思考题： (1)收敛喷管的受力向后，问去掉喷管后发动机推力是不是就要加大？ (2)加力后加力燃烧室前的气流参数不变，那么发动机的推力为什么增大？ ２.3.２ 叶栅通道 对于压气机而言：（下标 z———转子，下标 j——静子）
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 轴向(下标0) P0=m(c2-c1)+p2F2-pF1 (向前) Pio=m(c 3a-c2)+p3F3-p2F2 (向后) 切向(下标t) Pa=m( auc (与转向相反) (与转向相同) 对于涡轮而言:(内容雷同,从略) 叶栅受力特点: 压气机:动叶T轴力与流向相反(向前) 切力与转向相反 静叶τ轴力与流向相反(向前) 切力与转向相同(逆于动叶) 涡轮:动叶τ轴力与流向相同(向后) L切力与转向相同 静叶τ轴力同于动叶(向后) 切力与转向相反(逆于动叶) 2.3.3涡轮转子轴向力计算 (1)叶片上的气体力 P=m (c zci+p2F2-pF,so (实际为负值,即向后) (2)盘前密封齿以外的气体力 P2=I(d2-d3)pa/4 (3)盘前密封齿以外的气体力 P3=I dip/4 (4)盘后端面的气体力 P= I d/ 总的轴向气体力为: P1=P1-P2-P3+P4 (实际为负值,即向后) *转子受力特点 1)部件轴力是气体对所有外表面的作用力的轴向分量代数和 2)多级转子轴力应是各级外表面气体轴力的代数和。 2.3.4典型发动机的气体轴力分布 (1)轴力分布特点
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人：能源与动力学院 宋迎东 轴向（下标 0） Pz0=ｍ(ｃ2a-ｃ1a)+ｐ2F2-ｐ1F1 （向前） Pj0=ｍ(ｃ3a-ｃ2a)+ｐ3F3-ｐ2F2 （向后） 切向（下标 t） Pzt=ｍ(ｃ2u-ｃ1u) （与转向相反） Pjt=ｍ(ｃ3u-ｃ2u) （与转向相同） 对于涡轮而言：(内容雷同，从略) 叶栅受力特点： 压气机：动叶┬ 轴力与流向相反(向前) └ 切力与转向相反 静叶┬ 轴力与流向相反(向前) └ 切力与转向相同(逆于动叶) 涡 轮：动叶┬ 轴力与流向相同(向后) └ 切力与转向相同 静叶┬ 轴力同于动叶 （向后） └ 切力与转向相反(逆于动叶) ２.3.３ 涡轮转子轴向力计算 (1)叶片上的气体力 P1＝ｍg(ｃ2a-ｃ1a)＋ｐ2F2－ｐ1F1 ≤0 (实际为负值，即向后) (2)盘前密封齿以外的气体力 P2＝π(ｄ2 2 －ｄ3 2 )ｐa /4 (3)盘前密封齿以外的气体力 P3＝πｄ3 2 ｐb/4 (4)盘后端面的气体力 P4＝πｄ2 2 ｐc/4 总的轴向气体力为： Ptz＝P1－P2－P3＋P4 (实际为负值，即向后) * 转子受力特点： 1) 部件轴力是气体对所有外表面的作用力的轴向分量代数和； 2) 多级转子轴力应是各级外表面气体轴力的代数和。 ２.3.４ 典型发动机的气体轴力分布 (1) 轴力分布特点：