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航空燃气涡轮发动机,强度设计问题与挑战 打开文本图片集 航空燃气涡轮发动机（以下简称发动机）是一个集高温、高速、高压及困难振动环境于一身的旋转机械产品如何使一个工作于如此苛刻环境下的高速旋转机械在保证高的牢靠性、平安性、经济性、舒适性（低噪声与低振动）以及长寿命的同时，还要具有优良的结构效率？答案是必需依靠于航空燃气涡轮发动机强度设计技术 发动机强度设计技术包括：1）定量描述发动机整机及其零组件在运用环境及载荷作用下结构变形、动力响应以及疲惫、蠕变、氧化腐蚀、塑性变形、断裂及冲击等损伤行为的理论和方法；2）考虑发动机运用环境、载荷、结构及材料工艺特性及其分散性，在发动机研制和运用的全寿命周期内，给予发动机结构预期平安性、耐久性和牢靠性的设计理论、方法和技术；3）为提高工程设计分析效率所需的发动机强度设计理论、方法和技术 发动机强度设计技术涉及面广，从整机载荷、整机刚性以及整机振动，到零件的静强度、变形与刚性、稳定性、振动以及寿命，都是发动机强度设计技术必需参加的领域 因而，作为机械强度设计的一个分支，发动机强度设计是一个费时、耗钱的系统工程，其设计精确性须要大量的、不断提高的设计实践和产品应用作为基础。

因此，发动机强度设计技术的成熟与发展与气动、热力学科的发展相比，就更为艰辛漫长 此外，如陶瓷复合材料、纤维增加复合材料等新材料，以及增材制造技术、激光表面强化以及激光修复技术等新工艺在航空燃气涡轮发动机上的应用，又给强度工程师带来了新的技术挑战 材料、工艺对强度设计的影响与制约 强度设计技术的核心是对结构在运用环境及载荷作用下的反应客观的相识和精确的预料用于制造特定结构的材料以及工艺过程干脆确定了在特定环境下、在给定载荷作用下特定结构的机械性能，也就确定了特定结构从变形、振动、损伤到机械性能衰退等各种对环境及载荷的反应当一个零组件完成制造并装配到发动机上后，随运用时间增长其机械性能不断下降，因此，强度设计离不开对材料各种特性的驾驭 设计用材料性能数据对强度设计的影响与制约 设计用材料性能数据是发动机结构分析与强度设计的基础，没有设计用材料性能数据，结构分析与强度设计便成为空中楼阁因此，设计用材料性能数据的系统性、完整性、牢靠性在肯定程度上反映了发动机结构分析与强度设计的基础有多扎实、实践的深度有多深、实践的广度有多宽，并在肯定程度上反映了结构分析与强度设计的工程实践水平。

发动机结构分析与强度设计须要代表真实构件特定部位机械性能的、具有肯定置信度、牢靠度的设计用材料性能数据它须要包括基本物理性能，也要包括短时力学性能数据，不仅要包括不同材料工艺状态、不同部位（典型如轮盘轮缘、辐板、轮心）、不同方向（典型如单晶、定向结晶）、典型温度范围、典型应力/应变/应变比的低循环疲惫性能，还要包括不同温度、不同工艺状态（包括表面状态）、不同部位、不同应力集中部位高周疲惫性能，对于高温合金，还须要不同温度、不同应力、不同持续时间下的长久性能、蠕变性能、热-机疲惫性能等性能数据 作为机械产品的航空燃气涡轮发动机，其结构强度设计是一个逐步积累、提升的过程，这也反映在设计用性能数据的逐步积累、提升上这些设计用性能数据的测量代价大，周期长，在应用新材料、新工艺时，设计用性能数据的测试可能和材料、工艺的研制过程及应用探讨与验证同步开展，则设计用材料性能数据的缺乏问题更为突出设计用材料性能数据不仅要全面、完整、牢靠，而且还要有效地管理起来并便利用户运用，以及新的数据的积累和有机融入已有测量数据（库）中 要开展民用航空动力装置设计，设计用材料性能数据是否符合要求是一个能否取得适航证必需迈过的第一道坎。

工艺过程限制及制造符合性对强度设计的影响 如何从设计角度限制原材料、冶炼、锻铸过程、热处理、焊接、机械加工、表面处理以及装配过程，干脆确定了构件及装配成形后的发动机的内在性能以及性能质量的一样性、分散性它干脆影响着结构分析和强度设计的基本假设、对构件/发动机的强度设计裕度的设置、对构件/发动机的结构验证状态的确定等等因此，从设计角度须要相识：1）哪些环节、哪些参数是须要设计限制的？2）这些辨识出来的须要限制的环节、参数对结构特性的影响程度？3）如何限制并确认制造的符合性？4）设计用数据、方法是否精确地反映了影响构件/发动机的制造主要环节、参数？5）过程限制的代价是否可以接受？ 假如制造过程不能得到有效的限制，强度设计时的假设就与构件/发动机硬件状态不符，设计结果也就不能代表真实状态，意想不到的构件失效就可能发生 运用载荷及环境 假如说材料以及形成构件/发动机的整个过程给予了构件/发动机硬件基本性能，它是否能够在你期望的状况下牢靠地工作，还确定另一个重要因素：运用载荷及环境 运用载荷及环境是发动机硬件的实际服役环境及服役中承受的工作载荷就运用环境而言，在海洋环境中运用的发动机，其零件易受到海洋腐蚀环境的影响，在沙漠环境运用的直升机用发动机，易于受到沙砾的冲蚀影响；就飞机用途而言，制空战斗机用发动机、对地攻击战斗轰炸机用发动机、高空侦察机用发动机和运输机用发动机，由于其运用特点不同，发动机的大状态工作时间所占比例、转速循环历程差异也大。

设计用法 为了使设计的发动机满意预期要求，在发动机设计初期，就必需首先确定设计的发动机预料的用法和运用环境，习惯称为设计用法设计用法包括飞机的任务及任务混频、用法参数、工作包线、外部作用力（机动载荷）、大气环境条件、飞机引气/功率提取、发动机性能衰退后的用法等等 设计用法确定得越具体、与最终运用越接近，发动机的强度设计假设中关于运用环境与载荷越接近真实状况，付出的结构重量、制造成本、开发成本以及运用成本才可能与预期最接近因此，发动机设计中必需首先面对的强度设计问题就是确定什么样的设计用法 设计用法仅供应发动机整机的用法要求，从平安性角度考虑，对于发动机的平安性关键零组件，还需确定其设计限制载荷和极限载荷，以便在付出的代价可接受的状况下保证足够的平安性对于平安性关键件，考虑什么样的限制载荷和极限载荷，不同应用环境要求不同，随着对问题的相识深化和技术的发展，其要求也会有改变 因此，这些设计用法和实力要求是随着设计实践的积累不断改变的，不能也不会一成不变 构件工作载荷的确定制约强度设计的精度及牢靠性 除了从供应推力/功率和其他能量需求的航空动力装置角度须要明确其设计用法以外，为了设计出牢靠、平安的发动机，还必需精确驾驭发动机特定构件在发动机环境下的工作载荷。

特定构件在发动机环境下的工作载荷主要包括转动引起的离心载荷、气动载荷、温度载荷、流体/旋转机械激振载荷、外部冲击载荷、相邻构件传递的机械载荷等由于转速测量成熟、精度高，转速限制精度也高，因此转速引起的离心载荷在设计中把握较好作为流体机械，叶片表面的气动载荷受到测试手段的约束其精确分布往往不得而知，目前设计中更多采纳CFD预料结果，这对叶片的强度设计带来不行忽视的影响叶片以及发动机中与气流干脆接触的薄壁构件，工作中还有一类重要的载荷是由于旋转和流场的非定常特性产生的流体交变载荷和机械旋转引起的机械交变载荷，这种交变载荷假如频率与结构固有频率吻合，便可能产生共振响应，或者导致结构出现气弹不稳定，引发结构失效因此，如何精确地预料作用在叶片及其他薄壁构件上的交变激振力的分布及大小，是进行构件抗高周疲惫设计的核心问题在对转涡轮设计中，叶片流体激振力的精确预料是其设计胜利与否的关键轴承设计、传动齿轮设计中，机械交变载荷大小及其分布特性仍旧是设计关注的焦点之一 作为高温旋转机械的典型零件——困难冷却叶片不仅承受了高温，同时还承受了大的温度梯度和快速的温度改变，由此产生了不行忽视的热应力热应力的精确预料须要精确的构件空间温度分布和随时间的改变，精确的温度预料又与特殊是过渡态的空气系统预料亲密相关，过渡态的空气系统预料不仅与主流通道的气动热力参数精确与否亲密相关，还与结构在气动、机械及热载荷作用下以及构件不行忽视的制造偏差等造成的空气系统间隙及间隙改变亲密相关。

由此可见高温构件的温度载荷确定的困难性构件的高温载荷确定的精确与否，干脆制约了高温构件的强度设计水平 上述这些载荷的精确确定，都离不开试验，试验中的气动、热、机械参数测量，大部分就是为了精确获得构件的工作环境及载荷条件 对于长寿命发动机或者在腐蚀环境中工作的构件，大气腐蚀或燃气腐蚀条件也须要精确驾驭 在发动机强度设计中，一个简单被忽视的环境因素是阻尼环境由于发动机叶片及薄壁结构简单出现高周疲惫，要精确地预料构件的振动响应，除了须要精确预料激振力外，还须要对构件的阻尼有精确的预料典型如整机振动响应分析中，由于静子结构件有较多的连接结构，其结构阻尼较大，支点假如采纳了有效的阻尼器，其阻尼也较大，但是转子在做宏观涡动运动时，其结构阻尼就较小，这些都对整机振动响应影响较大另外，整体叶盘的结构阻尼低，振动响应往往较大比如某整体铸造涡轮叶盘，由于其结构阻尼低，其振动响应峰值尖，峰值响应大，这是其固有特性，假如设计初期对此相识不足，就简单引起强度设计问题 强度设计分析技术 考虑发动机运用环境、载荷、结构及材料工艺特性及其分散性，在发动机研制和运用的全寿命周期内，给予发动机结构预期平安性、耐久性和牢靠性的设计理论、方法和技术，是发动机强度设计分析的核心。

它建立在精确、系统、全面反映实际构件状态的设计用性能数据基础上，也建立在精确的发动机及其构件运用环境及载荷基础上，通过强度设计分析方法技术把部件性能、发动机运用环境及载荷、发动机及构件试验验证等有机结合成为完整的强度设计系统工作 随着新材料、新工艺及新结构的应用，构件在环境和运用载荷作用下的损伤行为的深化相识，强度设计分析技术也会不断深化、发展 新材料新工艺新结构的强度设计技术 发动机为了追求高的热效率、部件效率和结构效率，耐高温、高比刚度、高比强度的材料不断用于发动机设计实践现在起先运用、将来将成为发动机中主体的新材料包括：耐高温树脂基复合材料、金属基复合材料、碳纤维增加陶瓷基复合材料、碳碳复合材料、钛铝金属间化合物、新一代单晶、新一代粉末冶金材料、TBC涂层、智能材料等等这些新材料用于发动机构件必定涉及如何牢靠、高效地运用这些新材料的问题这些材料的变形行为、损伤失效行为、构件性能表征与评价、构件的结构分析方法及强度评估方法与准则、构件制作过程对构件的性能影响等，都必需在用于发动机之前予以解决，并通过试样、模拟构件、全尺寸构件的试验予以验证解决这些问题的过程也促进了强度设计技术的进步。

整体叶盘、整体叶环、异种金属焊接结构、骨架结构、困难冷却结构、增材制造等新结构、新工艺的应用，也给强度设计分析技术带来了挑战整体叶盘、整体叶环的应用，就须要我们考虑是否须要采纳新的阻尼减振技术，也须要我们考虑为了使叶盘高周疲惫概率降低到可以接受的程度，应当如何限制叶片的稳态应力水平，为了给修复供应可操作余地，轮缘结构应当如何限制，与盘、片分别结构相比，叶身前后缘是否有必要加强等异种金属材料焊接结构的正确应用，也须要通过各种分析和试验手段明确焊接结构在发动机各种运用环境和载荷下的损伤失效行为，并建立相应的结构强度设计准则 发动机结构强度设计技术的发展不仅受到新材料、新结构、新工艺的推动受到设计分析效率、设计分析对精度的需求驱使，强度设计分析方法自身也在不断创新、完善与提高 概率设计方法应用 作为机械产品，航空发动机整机及其构件也存在机械性能分散，几何尺寸分散，内在缺陷分散，构件之间相互作用具有分散特性，特定发动机/构件在运用载荷、维护上也具有分散性，这些分散特性，。