航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟25页PPT
《航空发动机强度计算》的多媒体教学-模板
《航空发动机强度计算》的多媒体教学航空发动机强度计算课程是飞行器动力工程专业学生的专业必修课，以航空发动机的旋转零部件为其研究对象，着重分析了转子叶片的静强度和振动分析、轮盘的静强度分析及整机振动与平衡等方面的内容，希望学生通过本课程的学习，掌握零件或部件的工作条件、强度计算的基本理论与方法。
本课程以航空发动机结构、原理及机械振动、理论力学、弹性力学等课程为先修课程，具有显著的多学科交叉的特点。
采用传统的板书教学方法，学生难以对实际结构有形象的认识，教学过程枯燥，不利于学生深入理解力学模型的建立，导致教学效果不理想。
21世纪，人类跨入信息时代，多媒体技术蓬勃兴起，迅速发展，该技术已经在各个领域得到了广泛的应用。
多媒体进入教育领域之后，教学手段、教学方法、课堂教学结构以及教学理论都随之发生了变化。
因此，本人就关于航空发动机强度计算课程中如何更好地利用多媒体教学方法开展了思考，并提出了与传统教学相结合的建议。
一、多媒体教学之优势航空发动机强度计算作为专业必修课，从航空发动机中抽象出叶片、盘等结构，建立模型，开展结构的应力计算和强度分析，较为艰涩、枯燥，采用传统的板书教学模式，教师对于说明复杂的零部件结构和受载形式往往力不从心，此外，传统的教学方法还受到课堂板书时间、教学语言、课堂纪律等不利因素影响，从而影响学生听课的积极性，教学的进度和教学的质量。
与板书教学相比，教师使用多媒体课件时，学生往往会表现出较大的兴趣。
据有关调查统计，同样的内容，视听结合记忆效果比只凭看提高40%，多媒体教学正是实现视听结合的有效手段。
因此，在发动机强度计算的教学过程中，采取多媒体辅助教学可以达到提高教学效率、吸引学生专注度、加深学生理解力等积极的作用。
多媒体教学是指通过计算机把多媒体的符号、文字、公式、图像、声音、动画等各个要素按教学要求进行有机组合，并采用投影屏幕的形式显示出来，结合教师的讲解和引导达到合理教学过程的目的。
航空发动机基本原理PPT课件
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带有外涵道的桨扇发动机
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新型的HK-93涵道浆扇发动机(俄罗斯)
优点：涵道比大,省油; 增加10%推力; 减少噪音。 缺点：造价提高。
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9.真空能发动机
现代物理学认为：真空不是一无所有,“真空 是物质的凝聚态”(李政道语),真空是能量海,蕴藏 着极大的能量。有人说1立方厘米真空里面含有 1095克的能量,通过质能互换定理(E=mc2),可以 把真空中的能量看成无穷大。
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6.涡轮轴发动机(功率大,直升机用)
动力输出
高压压气机
回流燃烧系统
低压压气机
普通涡轮
自由动力涡轮
进气道 双轴涡轮轴发动机(带自由动力涡轮的)
燃烧室
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7.涡轮螺旋桨发动机(噪音小,寿命长,中低速飞机用)
小平同志亲自批示,太行发动机正式立项。 2009年,吴大观在北京去世。
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5.涡轮风扇发动机(油耗低,难度高,大型民用客机用)
靠涡轮驱动
冷却引擎,降 低引擎噪音
靠涡轮驱动
中心轴
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非加力式涡扇发动机
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加力式涡扇发动机
04第四讲 航空发动机核心机――压气机精品PPT课件
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航空发动机原理和结构
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航空发动机原理和结构
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航空发动机原理和结构
混合式
在中、小型发动机上，轴流式和离心 式组成混合压气机，发挥了离心压气机单 级增压比高的优点，避免了轴流式压气机 叶片高度很小时损失增大的特点。
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转子
静子
压气机
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航空发动机原理和结构
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航空发动机原理和结构
转子基本结构
主要特点：转速高 优点：压气机在尺寸小，重量轻的条件 下得到需要的性能
缺点：高负荷，易振动
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航空发动机原理和结构
压气机转子的基本类型
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航空发动机原理和结构
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航空发动机原理和结构
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航空发动机原理和结构
单转子
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航空发动机原理和结构
双转子
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航空发动机原理和结构
三转子
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航空发动机原理和结构
基元级的加功扩压原理
亚声速基元级
动叶叶栅迫使气流拐弯减速， 实现加功扩压
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航空发动机原理和结构
轴流式压 气机静子
压气机静子为压 气机中不旋转的 部件，由机匣和 静子叶片（整流 叶片）组成
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航空发动机原理和结构
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航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟
航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟摘要压气机是为航空发动机提供需要压缩空气的关键部分，由转子和静子等组成，其中转子叶片是完成该功能的核心零件，在能量转换方面起着至关重要的作用。
叶片工作的环境比较恶劣，除了承受高转速下的气动力、离心力和高振动负荷外，还要承受热应力，所以在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，转子叶片强度的高低直接影响发动机的运行可靠性，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性。
由进气道、转子、静子等组成的离心式压气机内部流动通道是非常复杂的，由于压气机是发动机的主要增压设备，其工作的好坏对发动机的性能有很大的影响。
随着现在的计算机和数字计算方法的大力发展，三维计算流体模拟软件越来越多的被运用到旋转机械的内部流场进行数值分析。
本文利用三维流体模拟软件ANSYS系列软件对压气机内部的气体流动性能进行模拟，得到一些特征截面的压力和速度分布情况。
关键字：转子叶片；强度计算；Fluent；轴流式压气机AbstractThe compressor is to provide compressed air for the needs of key parts of aero engine, the rotor and the stator, etc., wherein the rotor blades are core components to complete the function, plays a crucial role in the transformation of energy. The blade working environment is relatively poor, in addition to withstand high speed aerodynamics, centrifugal force and vibration in high load, to withstand greater thermal stress, so in the blade design, the first problem is the strength of the blade structure, the rotor blade strength directly affect the reliability of the engine, blade lack of strength, may directly lead to the fatigue life of the blade is insufficient, so the strength design must try to increase the strength, to improve the blade fatigue life and reliability.The internal flow passage of centrifugal compressor inlet, rotor and stator which is very complex, is mainly due to the high pressure equipment of the engine, has great impact on the performance of the quality of its work on the engine. With the development of computer and digital calculation method, 3D computational fluid simulation software has been applied to numerical analysis of internal flow field of rotating machines. In this paper, the fluid flow characteristics in the compressor are simulated by using a series of ANSYS software, and the pressure and velocity distributions of some characteristic sections are obtained.Keywords: rotor blade; strength calculation; Fluent; axial flow compressor目录1 引言 (1)1.1 课题介绍 (1)1.2 研究方法 (1)1.2.1 直接计算法 (1)1.2.2 有限元分析法 (2)2 转子叶片 (2)2.1 叶身结构 (3)2.2 榫头结构 (5)2.3 叶片截面的几何特征 (7)3 叶片强度计算 (10)3.1 叶片受力分析 (10)3.2 离心拉应力计算 (11)3.3 离心弯应力计算 (13)3.4 气流弯应力计算 (16)3.5 叶片热载荷 (19)3.6 榫头强度计算 (19)4 压气机内气流场的模拟 (22)4.1 Fluent软件介绍 (22)4.2 双向流固耦合 (22)4.3 模型建立 (24)4.3.1 实体模型的建立 (24)4.3.2 ICEM CFD网格划分 (28)4.3.3 相关条件的设置 (29)4.4 运行结果和分析 (30)4.4.1 速度计算和分析 (30)4.4.2 压力场计算和分析 (32)5 结束语 (34)【参考文献】 (35)致谢 (36)附录1 相关英文文献: (38)附录2英文文献中文译文: (53)1 引言1.1课题介绍压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，提供发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的启动提供压缩空气[1]。
航空发动机压气机
鼓盘式转子
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2.4 鼓盘式转子
鼓盘式转子兼有鼓式转子的抗弯刚性和盘式转子的承受 大离心载荷的能力，因而得到广泛应用．特别是在现代涡扇 发动机的高压压气机上。鼓盘式转子的结构方案繁多，按其 级间联接的特点，可分为不可拆卸的转子、可拆卸的转子和 部分不可拆卸部分可拆卸的混合式转子三大类。
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2.4 鼓盘式转子
1．不可拆却的鼓盘式转子 不可拆卸的鼓盘式转子的级间联接常用圆柱面紧度配合加径
向销钉联接和焊接两种方法．这两种方法在完成装配后都不可能 再进行无损分解。在先进的F119发动机上是直接整体加上成型。
WP6．WP7、WP8，WPl 3发动机的压气机都采用了圆柱面紧 度配合加径向销钉联接的鼓盘式转子。这种结构利用热胀冷缩原 理使圆柱面配合后产生紧度，圆柱而加径向销钉保证转子级间联 接后的定心，靠径向销钉和配合而摩擦力传递扭距。
8
2.2 轴流式压气机
9
2.3 轴流式压气机转子的基本结构
压气机转子的基本型式有三种： 鼓式转子、盘式转子、鼓盘式转子
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2.3 轴流式压气机转子的基本结构
鼓式转子的基本构件是一圆柱形、橄榄形或圆锥形鼓 简(视气流通道形式而定)，借安装边和螺栓与前、后半轴 联接。在鼓筒外表面加工有环槽或纵槽，用来安装转于叶 片。作用在转子上的主要负荷(叶片和鼓筒的离心力、弯矩 和扭矩)由鼓简承受和传递。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，故只能在圆周速度 较低(不大于180-200 m／s)的条件下使用。如早期的压气机、 现代大流量比涡扇发动机的低压转子上。民用期贝发动机 低压压气机转子为鼓式转子．
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2.2轴流式压气机
空气在轴流式压气机中的流动方向大致平行于工作 轮轴．所以称为轴流式压气机：它的流动特点使其在结 构上容易组织多级压缩，以每一级都较低的增压压力比 获得较高的压气机总增压压力比。一般每级的增压压力 比在1．15～1．35之间，使得空气流经每级叶片通道时 无需急剧地改变方向，这样就减少了流动损失，因而压 气机效率高。特别是大流量时，轴流式压气机较离心式 压气机更容易获得较高的压气机效率，一般轴流式压气 机效率可达87％以上，而离心式压气机效率最高在84 ％—85％、与离心式压气机相比，多级轴流式压气机还 具有大流量，高效率、小迎风面积等优点．所以现代航 空用燃气涡轮发动机中多采用多级轴流式压气机。
航空发动机强度 第1章 叶片强度II(2h)
一般情况下，仅以根部截面作为罩量调整的对象。
航空发动机结构强度
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压气机转子叶片与涡轮转子叶片所受气体力方向相反， 因此罩量调整时两种叶片重心连线的偏斜方向是相反的。 偏斜方向总是与叶片所受气体力的方向一致 。
回顾
（1）叶片强度计算的简化假设 将转子叶片假设为根部固装的悬臂梁，忽略叶冠、凸台 等结构，忽略叶片承受载荷后的变形； 仅考虑叶片承受的离心力和气体力； “三心”重合：各截面扭转中心、气体力压力中心、重心。
在上述假设下，叶片强度计算主要考虑离心力产生的拉 伸应力以及离心力和气体力产生的弯曲应力。
涡轮 叶片
叶片气动设计
叶片传热设计
叶片机械设计
（包括强度计算）
航空发动机结构强度
4
1.1.2 转子叶片的结构特点
回顾
叶身：由于气动性能的需要，叶身一般由不同叶型按一定扭 向沿叶高重叠而成。有的叶片有凸台、叶冠或冷却结构。 榫头：燕尾型、枞树型
1.1.3 转子叶片的工作条件和载荷特点
回顾
（1）离心力 （2）气体力 （3）温度载荷 （4）振动载荷 （5）冲击载荷
航空发动机结构强度
9
（2）叶片强度计算的坐标系假设 总体坐标系（左手坐标系）：X-YZ-O，X轴位于发动机轴线上，正方 向沿发动机排气方向，Z轴过叶根截 面中心O’与X轴交于O，Y轴根据左手 坐标系确定。 局部坐标系（左手坐标系）：x-yz-oi，oi为叶片第i截面的重心 上述两坐标系平行。
航空发动机强度
Structural Strength of Aircraft Gas Turbine Engines
航空发动机强度与振动--各章作业
三、计算题
1、某等截面、无扭向、根部固装的转子叶片长 l = 16cm ， E = 5.0 ×105 cm / s ， J = 0.8cm4 ， A = 5cm2 ， ρ
（ 1 ） 请 求 出 前 三 阶 弯 曲 振 动 的 固 有 频 率 （ 固 有 频 率 的 单 位 为 Hz ）。 计 算 公 式 已 经 给 出 ：
4、旋转着叶片的自振频率称为
；静止叶片的自振频率称为
。
5、叶片的振动阻尼有
，
，
三类。
6、列举出一些常用的提高叶片抗振阻尼的结构措施。
7、从气动和结构两个方面分析下带冠叶片的优缺点。
8、燕尾形、枞树形、销钉式三种榫头榫槽的连接方式中，哪种叶片和轮盘的连接方式抗振阻尼最好？
9、如图，试解释双榫根构造的叶片，抗振阻尼较好的原因？
8、判断弹性元件的串联或者并联。
6
第一章 转子叶片强度计算
9、在图(a)中，两弹簧是并联还是串联？在图(b)中，若将弹簧的长度变为原来的一半，则此一半长度的弹簧 的刚度系数是多少？
10、系统受外界激励作用而产生的振动称为（ ）振动。激励根据其来源可分为两类：一类是（ ），
另一类是（
）。
7
第一章 转子叶片强度计算
5、不管是实心盘还是空心盘，热应力σθ 在轮盘外缘处呈压应力状态。
航空发动机强度 第1章 叶片强度III(2h)
回顾
航空发动机结构强度
14
回顾
航空发动机结构强度
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1.4 总应力与安全系数
航空发动机结构强度
16
安全系数
?
航空发动机结构强度
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风扇/压气机叶片：
航空发动机结构强度
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涡轮叶片：
指材料在温度t下，T时间内不发生持久应力断裂的最大应 力，或T时间内发生持久应力心拉伸应力均匀分布，而弯曲应力以距 离最小主惯性轴最远的A、B、C三点最大。因此总应力最 大的点是弯曲应力最大且为拉应力的点。
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影响叶片强度的因素有很多，如振动、疲劳、应力集中、 环境条件等。
航空发动机结构强度
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作业：教材p20习题1－1和习题1－2。
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航空发动机结构强度
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气体力沿叶高均匀分布
航空发动机结构强度
6
数值积分方法
回顾
航空发动机结构强度
1.3.2 离心力弯矩的计算方法
回顾
航空发动机结构强度
8
1.3.3 弯矩的合成与补偿
回顾
作用在半径Zi截面上的总弯矩（即 合成弯矩）为：
航空发动机结构强度
9
回顾
气
主要
体
由气
力
动参
弯
数决
矩
定
离
心
主要由截面
力
重心相对位
弯
置决定
矩
航空发动机结构强度
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回顾
如果能够在对气动性能影响不大的情况下，适当地调整 叶片各截面重心的连线，即适当调整离心力弯矩，使它与 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，对叶片强度是很有好处的。 ——弯矩的补偿
航空发动机工作原理(教学课件)
随着压气机转速的增加，吸入的空气被压缩，气压和温度也随之升高。这个高压高 温的空气随后被送入燃烧室。
燃烧室工作原理
燃烧室的主要功能是将燃油与压 缩空气混合并点燃，以产生高温
航空发动机的分类
01
02
03
活塞式发动机
利用汽缸内活塞的运动来 产生动力，适用于低速飞 机。
涡轮式发动机
利用高速旋转的涡轮来产 生动力，适用于高速飞机。
喷气式发动机
利用高速喷射气体来产生 动力，适用于超音速飞机。
02 航空发动机的工作原理
压气机工作原理
压气机是航空发动机的重要组成部分，其主要功能是通过高速旋转的叶片将空气吸 入并压缩，为燃烧室提供足够的空气。
定期检查
航空发动机的定期检查包 括外观检查、油液分析、 振动检测等，以确保发动 机正常运转。
更换磨损件
发动机运转过程中，某些 部件会逐渐磨损，如轴承、 密封圈等，需要定期更换。
清洗和润滑
定期清洗发动机内部，并 使用合适的润滑油，以减 少摩擦和磨损。
常见故障与排除
燃油系统故障
燃油系统故障可能导致发动机熄 火或功率下降，排查故障需检查
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再生利用技术
采用废弃发动机部件的再生利用技术，降低生产 成本和资源消耗，同时减少对环境的负面影响。
新材料与新技术的应用
新材料应用
01
采用先进的复合材料、钛合金和高温合金等新材料，减轻发动
机重量，提高发动机性能和可靠性。
3D打印技术
02
利用3D打印技术制造发动机部件，降低生产成本和周期，提高
【精品】汽轮机课件-汽机叶片静强度计算精品ppt课件
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z112EsIsHslcos2刚度系数，反映了围带对叶片刚度的影响程度，
对于扭叶片，单位叶高的蒸汽作用力，各截面的主惯性矩或抗弯截
面模量沿叶高变化，弯曲应力最大值不一定在根部截面，必须计算弯曲
应力沿叶高的变化规律，对最大弯曲应力的截面进行强度校核。
工程中采用近似方法计算，类似于离心应力，将叶片分段，求出任
一小段的ΔG，j段上蒸汽轮周向、轴向作用力。
作用力 弯矩
Fuj zG bej (c1cos1c2cos2)j
M s zz 1 H sM s zz 1 1 2 E t ss IsH s(d d y x 0 )x lc o s 2
4、围带反弯矩的实际计算
1）计算叶片顶部截面的转角(
dy0 dx
)
xl
在最大主惯性轴平面内，叶片受到两个弯矩，蒸汽弯矩Mx和围带产
生的反弯矩Ms。 叶片的弯矩M为二者之差
四、围带或拉筋成组叶片的应力计算
（一）围带或拉筋离心力对叶片离心力的影响
如果叶片的不同部位装有围带或拉筋，则围带与拉筋在旋转时，也
要产生离心力，作用于叶片的不同部位。
（1）围带产生的离心力
设围带的厚度为δ，节矩ts＝周长/叶片数 宽度b，旋转半径 R s
2 R s z
，
围带离心力
1、围带反弯矩 （1）叶片顶部位移y0 蒸汽作用力作用在最大主惯性轴（2-2轴）方 向，因此弯曲变形发生在 2-2轴所在平面，最 大主惯性轴2-2与轮周平面的夹角为β。
第8次课 压气机ppt课件
航空发动机原理和结构
一、空气在轴流式压气机内的流动情形
多级轴流式压气机是由若干个单机压气机组成的。如图 6-1所示。由一排旋转的工作叶片所组成的轮子叫叶轮；由 一排静止的整流叶片所组成的圆环叫整流环。一个叶轮和 一个整流环组成轴流式压气机的一个单级，它是多级轴流 式压气机的基本单元。
图. 6－1 多级轴流压气机
1）空气在工作叶栅内的流动情形
由于叶轮式以一定的转速作旋转运动，因此，气流流 经叶轮时的运动情况比较复杂，其运动是质点的复合运动。
根据运动速度分解与合成的的原理，质点的绝对运动 速度可看做由相对速度和牵连速度合成，即：
c=w+u
式中： c——绝对速度，以大地为参照点，观察到得气流速度； w——相对速速，，以旋转的工作叶轮为参照点，观察到 的空气流过工作叶轮的速度 u——牵连速度，是以大地为参照点，观测到的工作叶轮 的旋转切向速度。
航空发动机原理和结构
一、空气在轴流式压气机内的流动情形
高增压比的轴流压气机通常由多级组成，其中每一 级在一般情况下都是由一排动叶和一排静叶构成，并 且每级的工作原理大致相同，可以通过研究压气机的 一级来了解其工作原理。
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航空发动机原理和结构
一、空气在轴流式压气机内的流动情形
1、基本假设
（1）空气流过压气机时，为绝热 流动。
（2）当压气机工作状态一定时， 气体为稳定流动。
（3）压气机同一截面上的各点参 数值相同。
图6－2 基元级
压气机同一截面上的实际流动情形沿叶高是稍有差别
的，但以平均半径处的流动情况最具有代表性。为研究方 便，将每一单级压气机分成3个截面，如图6－2所示。
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航空发动机原理和结构
一、空气在轴流式压气机内的流动情形
第5讲 压气机 ppt课件
•在转子叶片中的增压原理：加功气机压缩功
根据能量方程，在绝热的条件下，外界加入气体的 功等于气体静焓增量及动能增量之和：
气体静焓增加是由于相对运动速度减小以及在旋转 坐标系中气流所处半径变化所致
压气机基元级对空气所作的功
3.1 压气机 (1)离心式压气机
图为早期涡轮喷气发 动机上的一个双面进 气离心式压气机。它 由进气系统、叶轮、 扩压器和集气管等四 部分组成。压气机通 过中间轴与涡轮相连 接。为了增加进气量 ，采用双面进气的叶 轮，这对于平衡作用 在轴承上的轴向力也 有好处。
叶轮的进口部分，为迎合气流相对运动的速度方向，做成向旋转 方向前弯。工作轮叶片之间呈径向辐射状的通道，气流通过工作 轮增加速度和压力。
流动损失
③端面损失：在叶型通道内壁和外壁形成附面层而引 起的摩擦损失称为端面损失。
④二次流动损失：由于叶栅通道中叶型凹部的压力高 于叶背部的压力，使一部分气体通过外壁和内壁附面 层从叶凹部流向叶背部，这种在附面层内发生气体潜 流而引起的损失称为二次流动损失。
⑤径向间隙损失：由于工作轮叶片和外壁之间有径向 间隙，一小部分气体通过径向间隙泄漏，使压气机效 率降低。
③通过测量压气机轴的扭矩和转速来计算压气机功 ④测量压气机进、出口气流的总温，然后用下式计算
用此式计算，无论压气机效率高低，其结果 总是正确的
为了降低燃气轮机的耗油率，压气机的增压比需要不 断提高；为了减轻燃气轮机的重量，希望尽量减少压气机 的级数。于是提高压气机各级增压比就显得十分重要。
只有增加压气机基元级对单位质量气体所作的功，才 能提高压气机基元级的增压比。
•③采用双轴或三轴结构。将压气机分成二个或三个转子 ，分别由各自的涡轮来带动，于是一台高增压比的压气机 就成为二个或三个低增压比的压气机。