壓氣機和渦輪轉子的功能與結構，雖然有差別，但從強度說，兩者的輪盤工作條件是大致相同的，不過渦輪盤是處在更高的溫度下，這意味著渦輪盤的工作環境更為苛刻。

(a)軸流式；(b)離心式

壓氣機盤結構圖

渦輪盤結構圖

航空發動機壓氣機盤或渦輪盤承受的載荷有以下幾種：

一、質量離心力

輪盤要承受因轉子旋轉時引起的葉片及輪盤等自身的質量離心力，在強度計算時應考慮以下的幾種轉速狀態：

• 飛行包線范圍內規定的強度計算點上的穩態工作轉速；

• 型號規范中規定的最大允許穩態，工作轉速；

• 115%和122%最大允許穩態工作轉速。

安裝在盤上的葉片、鎖片、擋板、螺栓、螺帽和螺釘等零件，都位于輪盤的邊緣，通常輪盤外緣取在榫槽的槽底。假設這些載荷均勻分布于輪盤外緣的表面上，則均布載荷為：

式中， 為所有外載荷的總和，為輪盤外圓的半徑， 為輪盤外緣軸向寬度。

當榫槽槽底與輪盤的旋轉軸線平行時，外緣半徑取為槽底所在位置的半徑；當榫槽槽底與輪盤的旋轉軸線在徑向有一傾斜角時，則外緣半徑近似取為前后緣槽底半徑的平均值。

二、熱載荷

輪盤要承受因受熱不均引起的熱載荷，對于壓氣機盤，熱載荷一般可以忽略。但隨著發動機總壓比和飛行速度的提高，壓氣機出口氣流已達到很高的溫度。所以，壓氣機前后幾級盤的熱載荷有時也不可忽略。對于渦輪盤，熱應力是僅次于離心力的重要影響因素，計算時應考慮以下類型的溫度場：

• 飛行包線中規定的各強度計算的穩態溫度場；

• 典型飛行循環中的穩態溫度場；

• 典型飛行循環中的過渡態溫度場。

在估算時，若原始數據無法充分提供，也沒有實測溫度可參考，這時可以根據設計狀態及最高熱載荷狀態的氣流參數進行估算，估算盤上溫度場的經驗公式為：

式中， 為所求半徑處的溫度，為盤中心孔處的溫度，為盤輪緣處的溫度， 為盤上任意半徑，下腳標0、分別對應中心孔和輪緣。

• =2，對應無強迫冷卻時的鈦合金和鐵素體鋼；

• =4，對應有強迫冷卻時的鎳基合金。

1. 對于高壓壓氣機盤

穩態溫度場：

• 在無冷卻氣流冷卻時，可以認為無溫差存在；

• 在有冷卻氣流冷卻時，可近似取為各級通道氣流的出口溫度+15℃，可近似取為抽取冷卻氣流級的氣流出口溫度+15℃。

瞬態溫度場：

• 可近似取為各級通道氣流的出口溫度；

• 沒有冷卻氣流時，可近似取輪緣溫度的50%；有冷卻氣流時，可近似取冷卻氣流抽取級出口溫度。

2. 對于渦輪盤

穩態溫度場：

為葉片根部的截面溫度；榫頭的溫降，可近似取。榫頭不冷卻時△=50-100℃；榫頭冷卻時△=250-300℃。

瞬態溫度場：

• 冷卻葉片的盤可近似取：瞬態溫度梯度=1.75×穩態溫度梯度；

• 不帶冷卻葉片的盤可近似?。核矐B溫度梯度=1.3×穩態溫度梯度。

三、由葉片傳來的氣體力（軸向和周向力）及輪盤前、后端面上的氣體壓力

1. 由葉片傳來的氣體力

對于壓氣機葉片，作用在單位葉高上的氣體力分量為：

軸向：

式中，Z、Q為葉片的平均半徑和葉片數；為進出口截面處氣流的密度；amam 為進出口截面平均半徑處氣流的軸向速度；為進出口截面平均半徑處氣流的靜壓.

周向：

式中，umum 為進出口截面平均半徑處氣流的周向速度。

2. 對于渦輪葉片

氣體上的氣體力的方向與上邊兩個公式相差一個負號。兩級輪盤（特別是壓氣機輪盤）之間的空腔里，一般都有一定的壓力。如果相鄰空間內的壓力不同，則對兩空腔之間的輪盤造成壓力差，△一般△對輪盤靜強度影響較小，特別是在輪盤輻板上開有空時，△ 可以忽略。

四、機動飛行時產生的陀螺力矩

對于帶有風扇葉片的大直徑風扇盤，應考慮陀螺力矩對盤的彎曲應力和變形的影響。

五、葉片及盤振動時產生的動載荷

葉片及輪盤發生振動時在輪盤中產生的振動應力，應與靜應力疊加。一般動載荷有：

• 葉片受到的周期性不均勻氣體力。由于流道內支架及分離式燃燒室的存在，導致氣流沿周向不均勻，從而給葉片產生一個周期性不平衡的氣體激振力。這個激力的頻率為：。其中，為發動機轉子的轉速，為支架或燃燒室的個數。

• 盤表面所受周期性不均勻氣體壓力。

• 通過相連的軸、連接環或其他零件傳給盤的激振力。這是由于軸系的不平衡，導致整機振動或轉子系統振動，從而將帶動與之相連接的盤一起振動。

• 多轉子渦輪葉片之間存在復雜的干擾力，他們將對盤、片系統振動產生影響。

• 盤片耦合振動。盤邊耦合振動與盤片系統的固有振動特性相關，當盤片系統所受的激振力與系統的某階動頻接近時，系統將發生共振，并產生振動應力。

六、盤與軸連接處的裝配應力

盤與軸的過盈配合將對盤產生裝配應力，裝配應力的大小取決于過盈配合量、盤和軸的尺寸及材料等因素，且與盤上受到的其他載荷有關。如離心載荷和溫度應力的存在，會使盤中心孔變大，使過盈量減小，從而使裝配應力減小。

在上述各種載荷中，質量離心力和熱載荷占主要成分，在強度計算時，應考慮轉速與溫度的如下組合：

• 飛行包線中規定的各強度計算點的轉速與相應該點的溫度場；

• 最大熱載荷點或飛行中最大溫差的穩態溫度場與最大允許穩態工作轉速，亦或在飛行中達到最大允許穩態工作轉速時相應的穩態溫度場。

• 對多數發動機來說，起飛往往是最惡劣的應力狀態，因此應考慮起飛時的瞬態溫度場（達到最大溫差時）與起飛最大工作轉速的組合。

來源：網絡

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