仿真干货丨航空发动机压气机和涡轮轮盘的载荷特点及计算状态

(a)轴流式；(b)离心式

压气机盘结构图

涡轮盘结构图

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：

• 飞行包线范围内规定的强度计算点上的稳态工作转速；

  
  

• 型号规范中规定的最大允许稳态，工作转速；

  
  

• 115%和122%最大允许稳态工作转速。

安装在盘上的叶片、锁片、挡板、螺栓、螺帽和螺钉等零件，都位于轮盘的边缘，通常轮盘外缘取在榫槽的槽底。假设这些载荷均匀分布于轮盘外缘的表面上，则均布载荷为：

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最高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：

• 叶片受到的周期性不均匀气体力。由于流道内支架及分离式燃烧室的存在，导致气流沿周向不均匀，从而给叶片产生一个周期性不平衡的气体激振力。这个激力的频率为：Hf =ωm。其中，ω 为发动机转子的转速，m 为支架或燃烧室的个数。

  
  

• 盘表面所受周期性不均匀气体压力。

  
  

• 通过相连的轴、连接环或其他零件传给盘的激振力。这是由于轴系的不平衡，导致整机振动或转子系统振动，从而将带动与之相连接的盘一起振动。

  
  

• 多转子涡轮叶片之间存在复杂的干扰力，他们将对盘、片系统振动产生影响。

  
  

• 盘片耦合振动。盘边耦合振动与盘片系统的固有振动特性相关，当盘片系统所受的激振力与系统的某阶动频接近时，系统将发生共振，并产生振动应力。

六、盘与轴连接处的装配应力

盘与轴的过盈配合将对盘产生装配应力，装配应力的大小取决于过盈配合量、盘和轴的尺寸及材料等因素，且与盘上受到的其他载荷有关。如离心载荷和温度应力的存在，会使盘中心孔变大，使过盈量减小，从而使装配应力减小。

在上述各种载荷中，质量离心力和热载荷占主要成分，在作强度计算时，应考虑转速与温度的如下组合：

• 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；

  
  

• 最大热载荷点或飞行中最大温差的稳态温度场与最大允许稳态工作转速，亦或在飞行中达到最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，起飞往往是最恶劣的应力状态，因此应考虑起飞时的瞬态温度场（达到最大温差时）与起飞最大工作转速的组合。