某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)抗過(guò)載能力分析

（南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210016）

機(jī)動(dòng)型無(wú)人靶機(jī)在機(jī)動(dòng)過(guò)程中會(huì)給機(jī)載設(shè)備帶來(lái)額外的過(guò)載。因此，為某型靶機(jī)配備的發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行抗過(guò)載能力的計(jì)算分析。靶機(jī)機(jī)動(dòng)過(guò)載會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子帶來(lái)額外的彎曲載荷，以及對(duì)軸承帶來(lái)嚴(yán)重的附加載荷。本文主要通過(guò)分析靶機(jī)8g過(guò)載下某型發(fā)動(dòng)機(jī)軸系軸向變形以及軸承所承受的載荷來(lái)，以此分析改性發(fā)動(dòng)機(jī)的抗過(guò)載能力。

1 載荷分析

靶機(jī)在飛行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)軸系承受的載荷有扭轉(zhuǎn)載荷，軸向載荷、彎曲載荷、徑向載荷以及熱載荷。其中扭轉(zhuǎn)載荷為渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)產(chǎn)生的扭矩；軸向載荷有氣動(dòng)載荷、飛機(jī)發(fā)射過(guò)載，發(fā)動(dòng)機(jī)軸向振動(dòng)過(guò)載；彎曲載荷（如所示，由于彎曲載荷的方向）有零件自重，轉(zhuǎn)子不平衡力、飛機(jī)徑向機(jī)動(dòng)過(guò)載、發(fā)動(dòng)機(jī)徑向振動(dòng)過(guò)載、陀螺力矩；徑向載荷主要為發(fā)動(dòng)機(jī)零件的質(zhì)量離心力。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)軸系機(jī)動(dòng)過(guò)程中所承受的彎曲載荷，由于轉(zhuǎn)子不平衡力，機(jī)動(dòng)慣性力的方向處于不斷變化過(guò)程中，圖示的受力為最大彎曲載荷的情況，即所有的彎曲載荷方向?yàn)橥环较?。圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)軸系機(jī)動(dòng)過(guò)程中的軸向受力分析圖。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)軸系軸向載荷

氣動(dòng)載荷主要由葉片輪盤前后動(dòng)量差、靜壓差帶來(lái)的氣動(dòng)力，計(jì)算結(jié)果如表1、2示。

表1 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輪盤軸向力計(jì)算

表2 轉(zhuǎn)子輪盤軸向力計(jì)算

軸系軸向氣動(dòng)力為向前拉力4862N。質(zhì)量離心力主要為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的徑向載荷，180WP發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為49000RPM。溫度載荷是由發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中不同部位的溫度分布不均造成，根據(jù)內(nèi)流場(chǎng)壓氣機(jī)及渦輪計(jì)算結(jié)果以及軸承腔大致溫度分布，軸系最高溫度位于渦輪葉尖處為917℃，最低溫度位于壓氣機(jī)前緣為環(huán)境溫度約15℃。

2 軸系變形有限元計(jì)算

計(jì)算模型選取壓氣機(jī)主軸及渦輪組成的轉(zhuǎn)子系，所有接觸設(shè)定為bonded，兩個(gè)軸承外圈施加徑向及軸向約束，前軸承前端面施加軸向約束。

2．1 最大軸向變形計(jì)算

根據(jù)第二節(jié)的受力分析，發(fā)動(dòng)機(jī)軸系最大軸向變形產(chǎn)生于飛機(jī)發(fā)射瞬間，其瞬間軸向加速度為20g，此時(shí)無(wú)機(jī)動(dòng)過(guò)載。

將上述載荷（除9g機(jī)動(dòng)過(guò)載外，假設(shè)發(fā)射瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大轉(zhuǎn)速）施加到計(jì)算模型，計(jì)算得到的該型發(fā)動(dòng)機(jī)最大軸向變形如下圖所示。

圖2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)最大軸向變形

可以看到，該型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪最大軸向變形為0.55mm，方向?yàn)槟婧较?，此處軸向無(wú)間隙控制，較為安全，壓氣機(jī)最大軸向間隙為0.17mm，而180WP發(fā)動(dòng)機(jī)軸向竄動(dòng)控制在0.2～0.3mm，軸承游隙實(shí)測(cè)為0.04mm，因此軸系最大軸向位移為0.51mm，小于壓氣機(jī)間隙0.9～1mm，較為安全。

2．2 最大徑向變形計(jì)算

根據(jù)上文受力分析，發(fā)動(dòng)機(jī)軸系最大徑向變形產(chǎn)生于靶機(jī)機(jī)動(dòng)過(guò)程中，此時(shí)無(wú)20g軸向慣性過(guò)載，施加上文計(jì)算載荷（除發(fā)射瞬間20g過(guò)載外），其中假設(shè)Y向?yàn)榘袡C(jī)機(jī)動(dòng)方向，得到發(fā)動(dòng)機(jī)徑向變形分布如下。

3 軸承承載能力分析

3．1 機(jī)動(dòng)過(guò)載

已知該型發(fā)動(dòng)機(jī)的軸系重量5.7kg，極慣性矩J=13094 kg·mm2；最大旋轉(zhuǎn)角速度為5128.7rad/s；靶機(jī)9g過(guò)載飛行時(shí)飛行速度大于300m/s，即角速度為0.3rad/s。可以計(jì)算得到，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的最大陀螺力矩為57N·m。本發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)兩支撐跨度為68.7mm，所以陀螺力矩對(duì)軸承施加的徑向力為829N。

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)需持續(xù)承受橫向加速度為9g的慣性過(guò)載，單個(gè)軸承受慣性力為257N。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)單個(gè)軸承承受的最大徑向載荷為697N。本發(fā)動(dòng)機(jī)選型的陶瓷滾珠角接觸軸承可承受動(dòng)額定負(fù)荷高達(dá)16900N，遠(yuǎn)高于陀螺力矩產(chǎn)生的徑向力，因此，可以認(rèn)為抗過(guò)載能力是滿足的。

3．2 沖擊過(guò)載

發(fā)動(dòng)機(jī)在回收狀態(tài)需承受軸向20g沖擊過(guò)載，單個(gè)軸承承受載荷為570N，遠(yuǎn)小于軸承靜額定負(fù)載7050N，具有足夠的安全裕度。

3．3 氣動(dòng)軸向力

軸向力主要指由葉片輪盤前后動(dòng)量差、靜壓差帶來(lái)的氣動(dòng)力，根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果，主軸受向前拉力4862N，小于軸承靜額定負(fù)載7050N，具有足夠的安全裕度。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)靶機(jī)機(jī)在某型發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速下發(fā)射以及進(jìn)行9g機(jī)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子變形處于安全范圍內(nèi)，且軸承仍留有足夠的安全裕度，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 壓氣機(jī)徑向變形（熱態(tài)）