航空涡喷、涡扇发动机 结构设计准则 研究报告 第6册 转子系统PDF电子书下载

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第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 内容简介 2

第2章 载荷与载荷谱 3

2.1 引言 3

2.2 发动机转速 3

2.3 扭矩 5

2.4 不平衡力 6

2.5 陀螺力矩 7

2.6 轴向载荷 8

2.7 离心载荷和径向载荷 9

2.8 转子温度场 10

2.9 振动载荷 11

2.10 发动机工作包线 11

2.11 机动飞行包线 13

2.12 喘振载荷 15

2.13 设计使用寿命和设计用法 16

2.14 设计任务循环 17

第3章 典型结构和新结构 22

3.1 引言 22

3.2 转子结构 22

3.2.1 转子的基本结构形式 22

3.2.2 转子的连接结构 24

3.3 转子支承方案 28

3.3.1 单转子支承方案 28

3.3.2 多转子支承方案 31

3.4 转子支承结构 39

3.4.1 挤压油膜 39

3.4.2 弹性支座 44

3.4.3 带挤压油膜的弹性支座 50

3.4.4 滚珠轴承与滚棒轴承并列作为1个支点 50

3.4.5 防止轴承滑蹭损坏的措施 51

3.5 压气机、涡轮转子间的联轴器 54

3.5.1 刚性联轴器 54

3.5.2 柔性联轴器 55

参考文献 60

第4章 典型故障模式和影响分析 61

4.1 引言 61

4.1.1 航空燃气涡轮发动机结构和工作特点 61

4.1.2 航空燃气涡轮发动机发展上的变化和要求 61

4.1.3 发动机故障类型 62

4.1.4 排故方法分析 62

4.2 转子不平衡引起的振动过大 63

4.2.1 现象和特征 63

4.2.2 原因分析 64

4.2.3 影响分析 65

4.2.4 排故方法 65

4.3 转子的碰摩 66

4.3.1 现象和特征 66

4.3.2 原因分析 71

4.3.3 影响分析 72

4.3.4 排故方法 73

4.4 转子热弯曲 73

4.4.1 现象和特征 73

4.4.2 原因分析 74

4.4.3 影响分析 75

4.4.4 排故方法 75

4.5 转子突加不平衡 76

4.5.1 现象和特征 76

4.5.2 原因分析 78

4.5.3 影响分析 78

4.5.4 排故方法 78

4.6 转子裂纹故障 80

4.6.1 现象和特征 80

4.6.2 原因分析 81

4.6.3 影响分析 81

4.6.4 排故方法 82

4.7 转子两向刚性异性引起的故障 83

4.7.1 现象和特征 83

4.7.2 原因分析 83

4.7.3 影响分析 83

4.7.4 排故方法 84

4.8 转子失稳 84

4.8.1 现象和特征 84

4.8.2 原因分析 84

4.8.3 影响分析 87

4.8.4 防止转子失稳的方法 88

4.9 篦齿封严装置裂断 88

4.9.1 现象和特征 88

4.9.2 原因分析 89

4.9.3 影响分析 89

4.9.4 排故方法 89

4.10 转子支承不同心故障 90

4.10.1 现象和特征 90

4.10.2 原因分析 90

4.10.3 影响分析 90

4.10.4 排故方法 90

4.11 转子支承结构间隙、松动故障 90

4.11.1 现象和特征 91

4.11.2 原因分析 92

4.11.3 影响分析 92

4.11.4 排故方法 92

4.12 弹性支承故障 92

4.12.1 现象和特征 92

4.12.2 原因分析 93

4.12.3 影响分析 93

4.12.4 排故措施 93

4.13 油膜阻尼器故障 94

4.13.1 故障现象 94

4.13.2 原因分析 94

4.13.3 影响分析 94

4.13.4 排故措施 94

4.14 主轴断裂故障 95

4.14.1 故障现象 95

4.14.2 原因分析 95

4.14.3 影响分析 97

4.14.4 排故措施 97

4.15 旋转套筒屈曲故障 98

4.15.1 故障现象 99

4.15.2 原因分析 100

4.15.3 影响分析 101

4.15.4 排故措施 101

4.16 转子振动和强度故障一览表 101

参考文献 105

第5章 设计准则 106

5.1 引言 106

5.2 允许的临界转速 107

5.2.1 准则说明 107

5.2.2 准则实施 112

5.3 允许的转子弯曲应变能 114

5.3.1 准则说明 114

5.3.2 准则实施 116

5.4 转、静子问的间隙控制 117

5.4.1 准则说明 117

5.4.2 准则实施 123

5.5 允许的支承结构载荷 131

5.5.1 准则说明 131

5.5.2 准则实施 132

5.6 转子稳定性储备 134

5.6.1 准则说明 134

5.7 防止转动薄壁件共振 136

5.7.1 准则说明 136

5.7.2 准则实施 140

5.8 防止气动弹性自激振动 143

5.8.1 准则说明 143

5.9 防止转动薄壁件外压屈曲 145

5.9.1 准则说明 145

5.9.2 准则实施 146

5.10 防止屈服 147

5.10.1 准则说明 147

5.10.2 准则的实施 148

5.10.3 花键设计准则 155

5.11 防止屈曲 156

5.11.1 准则说明 156

5.11.2 准则的实施 157

5.12 足够的高频疲劳寿命 159

5.12.1 准则说明 159

5.12.2 准则实施 159

5.13 足够的低循环疲劳寿命 161

5.13.1 准则说明 161

5.13.2 准则实施 161

5.14 叶片飞出后轴应有足够的强度和变形限制 162

5.14.1 准则说明 162

5.14.2 准则实施 162

参考文献 164

第6章 设计方法 166

6.1 引言 166

6.2 支承动、静刚度计算 166

6.2.1 支承静刚度计算 166

6.2.2 支承动刚度计算 169

6.3 滚动轴承刚度计算 170

6.4 挤压油膜阻尼器 173

6.4.1 结构和尺寸的选取 173

6.4.2 阻尼器的油膜力 174

6.4.3 带挤压油膜阻尼器转子的稳态和瞬态特性 174

6.5 特殊单元转子动力学模型 175

6.5.1 花键、套齿 175

6.5.2 销钉、螺栓连接 175

6.5.3 碰摩非线性单元建模问题 177

6.5.4 Alford力的考虑 178

6.6 临界转速和应变能分析 179

6.6.1 计算模型 179

6.6.2 临界转速计算方法 181

6.6.3 应变能计算 189

6.7 稳态不平衡响应 191

6.7.1 坐标变换 191

6.7.2 复数单元传递矩阵 191

6.7.3 不平衡响应计算 193

6.8 转子动力学特性优化 195

6.8.1 临界转速 195

6.8.2 振动不敏感转子设计 198

6.9 瞬态响应 201

6.9.1 瞬态响应研究内容 201

6.9.2 瞬态响应分析方法 201

6.10 转子热弯曲响应 204

6.10.1 转子的温度场和热弯曲 204

6.10.2 转子热弯曲响应 204

6.10.3 热弯曲转子动力特性计算方法 205

6.11 有限元子结构模态综合法 207

6.11.1 转子子结构有限元分析 207

6.11.2 机匣子结构有限元分析 208

6.11.3 转子—支承—机匣系统模态综合法 208

6.12 转动薄壁件的振动 212

6.12.1 圆柱薄壳固有频率计算公式 212

6.12.2 转动的任意轴对称壳体的振动计算 213

6.13 转动薄壁轴屈曲临界载荷 222

6.13.1 不转动的圆柱壳屈曲失稳临界载荷计算公式 222

6.13.2 转动的任意轴对称壳的屈曲失稳 223

6.13.3 算例 224

6.14 轴的变形分析 225

6.14.1 常规方法 225

6.14.2 传递矩阵法 226

6.14.3 有限元法 226

6.15 轴系的应力分析 227

6.15.1 常规计算方法 227

6.15.2 主轴的弹性和弹塑性有限元法分析 234

6.15.3 花键设计方法 235

6.16 疲劳寿命预测 240

6.16.1 高循环疲劳（HCF） 241

6.16.2 低循环疲劳（LCF） 246

6.17 蠕变分析 251

6.17.1 蠕变计算方法 252

6.17.2 蠕变损伤与破裂 255

6.17.3 蠕变屈曲 258

参考文献 261

第7章 材料与关键工艺 263

7.1 引言 263

7.2 主轴材料的选择 264

7.2.1 载荷分析 264

7.2.2 工作环境分析 264

7.2.3 主轴的结构特点分析 264

7.2.4 主轴材料的选择 264

7.3 主轴用材料 265

7.3.1 常用的主轴材料 265

7.3.2 复合材料 266

7.4 主轴材料特性要求 269

7.4.1 物理性能 269

7.4.2 力学性能 269

7.7.3 环境（化学）性能 270

7.4.4 工艺性能 270

7.5 加工工艺对主轴材料的影响 270

7.5.1 锻造 271

7.5.2 热处理 272

7.5.3 连接工艺 272

7.5.4 机械加工工艺 272

7.5.5 主轴制造工艺过程的质量检验 273

7.6 弹性支承座材料与工艺 274

7.7 材料数据库检验清单 274

7.7.1 探索研究 275

7.7.2 先期发展 275

7.7.3 工程研制 276

7.8 涡轮轴质量验收标准实例 276

7.8.1 Incoloy901材料的低压涡轮轴质量验收标准 276

7.8.2 斯贝发动机高压涡轮轴质量验证验收标准 278

7.8.3 高压涡轮轴解剖锻件的力学性能检查（项目、试件位置选取、数量） 280

7.8.4 典型主轴锻件流线图 281

参考文献 283

第8章 试验验证 284

8.1 引言 284

8.2 转子支承柔度试验 285

8.2.1 目的 285

8.2.2 内容 285

8.2.3 方法 285

8.3 转子系统中连接部位柔度试验 287

8.3.1 目的 287

8.3.2 内容 287

8.3.3 方法 287

8.4 弹性支承试验 287

8.4.1 目的 287

8.4.2 内容 287

8.4.3 方法 288

8.5 挤压油膜阻尼器试验 290

8.5.1 目的 290

8.5.2 内容 290

8.5.3 方法 291

8.6 转子动力特性试验 292

8.6.1 目的 292

8.6.2 内容 293

8.6.3 方法 293

8.7 部件和整机模态试验 297

8.7.1 目的 297

8.7.2 内容 297

8.7.3 方法 297

8.8 台架整机动力特性试验 298

8.8.1 目的 298

8.8.2 内容&2 298

8.8.3 方法 298

8.9 整机测振点特性比较试验 300

8.9.1 目的 300

8.9.2 内容 300

8.9.3 方法 300

8.10 密封装置振动试验 301

8.10.1 目的 301

8.10.2 内容 301

8.10.3 方法 301

8.11 薄壁轴振动试验 302

8.11.1 目的 302

8.11.2 内容 302

8.11.3 方法 303

8.12 主轴应力分布试验 303

8.12.1 目的 303

8.12.2 内容 304

8.12.3 方法 304

8.13 主轴的屈服强度储备试验 305

8.13.1 目的 305

8.13.2 内容 305

8.13.3 方法 305

8.14 主轴的破坏扭矩和扭转稳定性（屈曲）试验 305

8.14.1 目的 305

8.14.2 内容 306

8.14.3 方法 306

8.15 主轴的疲劳强度和寿命试验 306

8.15.1 目的 306

8.15.2 内容 306

8.15.3 方法 307

8.16 发动机转子持久试验 309

8.16.1 目的 309

8.16.2 内容 310

8.16.3 方法 310

8.17 测试仪器和数据处理方法 310

8.17.1 转子系统测试仪器及应用 310

8.17.2 数据处理方法 312

参考文献 314

第9章 评定标准 315

9.1 引言 315

9.2 应力标准 315

9.3 疲劳寿命 317

9.4 轴的变形限制 318

9.5 支承载荷限制 319

9.6 屈曲临界载荷安全裕度 320

9.6.1 轴的扭转屈曲载荷安全系数 320

9.6.2 转动薄壁结构外压屈曲失稳安全系数 320

9.7 间隙控制要求 320

9.8 不平衡度要求 321

9.9 频度限制 323

9.9.1 发动机临界转速 323

9.9.2 转动薄壁件共振安全裕度 323

9.10 转子弯曲应变能限制 324

9.11 整机振动标准 324

9.11.1 整机振动值的意义 324

9.11.2 整机振动的限制参数 324

9.11.3 整机振动限制参数的选取 325

9.11.4 整机振动标准的选取 325

参考文献 328

第10章 风险评定 329

10.1 引言 329

10.2 风险的定义与度量 329

10.2.1 风险的定义 329

10.2.2 风险的度量 329

10.2.3 风险的分类 330

10.3 风险评定的目的和内容 330

10.4 风险评定方法 331

10.4.1 概述 331

10.4.2 确定工作计划 332

10.4.3 制定活动网络 332

10.4.4 进行专家意见调查 332

10.4.5 网络模拟分析 335

10.5 风险评估的应用例题 338

10.5.1 基本数据 338

10.5.2 对策的选择 338

10.5.3 调查表 339

10.5.4 调查表的结果 341

10.5.5 风险估价 342

参考文献 346

第11章 计划网络 347

11.1 引言 347

11.2 探索研究计划网络 347

11.2.1 初步分析（第一审查期） 348

11.2.2 详细设计（第二审查期） 351

11.2.3 可行性试验和分析（第三审查期） 353

11.3 先期发展计划网络 354

11.3.1 初步评定（第一审查期） 355

11.3.2 部件设计和证实（第二审查期） 356

11.4 工程研制计划网络 358

11.4.1 要求的确定 359

11.4.2 转子结构的初步设计（第一审查期） 360

11.4.3 气动和结构试验器试验（第二审查期） 362

11.4.4 发动机结构环境验证（第三、四审查期） 363

11.4.5 工作寿命验证 364

参考文献 381

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