航空发动机压气机和涡轮轮盘的载荷特点及计算状态

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；ρ1m、ρ2m 为进出口截面处气流的密度；C1am、C2am 为进出口截面平均半径处气流的轴向速度；p1m、p2m 为进出口截面平均半径处气流的静压.

周向：

式中，C1um、C2um 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。

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