燃气轮机强-第二章

燃气轮机结构和强度

（强度篇）动力与能源工程学院岳国强、董平当前第1页\共有101页\编于星期二\11点第二章叶片强度

Stressing

ofDiscs当前第2页\共有101页\编于星期二\11点本章主要内容2.1概述2.2轮盘强度计算基本公式2.3简单几何形状轮盘强度计算2.4复杂型面轮盘强度近似计算2.5轮盘安全系数3当前第3页\共有101页\编于星期二\11点2.1概述非包容性故障(击穿机匣)。CF6是通用电气公司研制的一种高涵道比涡轮风扇发动机。装机对象：波音747-100，波音747-20，波音747-300，波音767，空中客车A300(CF6-80C2A5，推力61560磅）、空中客车A310（CF6-80C2A2，推力52500磅）、空中客车A330（CF6-80E1A2，推力67500磅）；DC-10-10（CF6-6D，推力41000磅）。4当前第4页\共有101页\编于星期二\11点5当前第5页\共有101页\编于星期二\11点2.1概述2006年6月2日，一架美洲航空公司的波音767-223（ER）型客机，飞行员报告称，当飞机在爬升过程中，感觉左发推力小于右发，航空公司安排地勤工程师将飞机从登机口转移到维修点进行开车。工程师单独对左发进行试车，将左发进行慢车-最大工况-慢车的试车，连续进行了两次，当第二次由最大工况拉回到慢车的过程中，发动机减速到95%转速时，左发着火，左机翼及左机翼后的机身相继着火。6当前第6页\共有101页\编于星期二\11点经检查，左发在高压涡轮单元断成前后两截，高压涡轮1、2级盘已甩离发动机，2级盘在距飞机不远处被发现，还是较完整，1级盘则破裂成四块，其中一块大断片摔到地面后反弹上来，击中距左发约14米处的右发尾喷管并嵌入到尾喷管中。涡轮盘第2个大断片飞越一条跑道和一条滑行道后，落到距飞机约760米处接近机场防护栅栏处。这两块大断片在甩离发动机后的经历，说明甩出发动机的这些断片的能量是非常大。7当前第7页\共有101页\编于星期二\11点2.1概述对破裂的高压涡轮的检查发现，轮盘是由轮缘到中心孔径向断裂的，裂纹起始点位于装叶片的一个榫槽底部后缘圆角处的微小点坑。对断裂表面用电子显微镜放大扫描后，得出断口的金相形态为晶间疲劳，同时还发现另外两个叶片榫槽在槽底后圆角处也各有1个裂纹，其起始点也为微坑。据NTSB称，晶间疲劳裂纹是典型的应力过高超出材料所允许应力值的反应。2000年9月22日，一架美囯航空公司的波音767-2B7(ER)客机，其所用的CF6-80C2B2发动机在费城国际机场进行地面维修性试车时，在大工况下1号发动机出现了1级高压涡轮轮盘非包容的故障，甩出发动机的断片造成飞机左翼下部着火，使飞机及1号发动机受到损坏。2002年12月28日，一架新西兰航空公司的波音767-219(ER)客机,当飞机爬升到3400米时，发动机高压涡轮轮盘有一块从轮缘到轮毂的断片甩出，打穿发动机及短舱，打坏飞机左翼前缘，但飞机成功在不列斯班迫降，机上190名乘客及10名机组人员无人伤亡。**NTSB是美国国家运输安全委员会NationalTransportationSafetyBoard8当前第8页\共有101页\编于星期二\11点2.1概述当高压涡轮盘在高速下破裂时，大断块甩出发动机时的能量是巨大的，能对飞机造成极大危害；CF6-80A与CF6-80C2发动机分别于1982年与1985年投入使用，到2006年出现美洲航空公司事件时，已工作20多年，据2003年6月的统计，当时共有3756台在使用中，累积工作时间超过1亿1千万小时，说明CF6-80系列发动机已是很成熟的发动机，但是，由于某些环节上的疏忽，或设计上存在一些不足，仍会造成危害程度极大的故障，因此，从事航空发动机设计生产的工程技术人员一定要谨慎认真地待设计、制造与装配工作。9当前第9页\共有101页\编于星期二\11点2.1概述10当前第10页\共有101页\编于星期二\11点2.1概述11当前第11页\共有101页\编于星期二\11点2.1概述12当前第12页\共有101页\编于星期二\11点2.1概述**陀螺力矩：绕对称轴高速旋转的转子当旋转轴在空间中改变方位时所表现出的抗阻力矩，通常称为陀螺力矩13当前第13页\共有101页\编于星期二\11点2.2轮盘强度计算基本公式发动机弹性状态下非均匀受热轮盘的基本应力方程假设:满足连续、均匀、各向同性假设；轮盘是薄盘，应力沿厚度方向均匀分布（等厚度、变厚度）；14当前第14页\共有101页\编于星期二\11点与中间平面相平行的各平面间不产生正应力，即轮盘处于平面应力状态；外界负荷沿轮缘圆周及轮缘宽度均匀分布；轮盘的应力和变形是轴对称性的；在同一半径处的环形截面上各点的应力相同（不同半径处应力则不同）；各环形截面上只有径向应力；通过旋转中心的径向截面上只有周向应力；温度沿轮盘圆周方向及厚度方向均匀分布，仅随半径变化；轮盘材料特性不随温度变化。15当前第15页\共有101页\编于星期二\11点2.2轮盘强度计算基本公式根据轮盘形状和应力轴对称特点，在轮盘上取任一微元体ABCD来研究，这个微元体的边界是由半径r和r+dr的两个同心圆周面，以及角为dθ的两个径向截面OA和OB组成。OABCD16当前第16页\共有101页\编于星期二\11点ρσ西格玛17当前第17页\共有101页\编于星期二\11点σr和σt18当前第18页\共有101页\编于星期二\11点[]**广义胡克定路19当前第19页\共有101页\编于星期二\11点泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。20当前第20页\共有101页\编于星期二\11点21当前第21页\共有101页\编于星期二\11点σr和σtεr和εt22当前第22页\共有101页\编于星期二\11点εr和εt23当前第23页\共有101页\编于星期二\11点2.3简单几何形状轮盘强度计算24当前第24页\共有101页\编于星期二\11点2.3.1等厚度盘25当前第25页\共有101页\编于星期二\11点K1及K22226当前第26页\共有101页\编于星期二\11点2.3.1.1等温实心等厚盘27当前第27页\共有101页\编于星期二\11点增大k2倍28当前第28页\共有101页\编于星期二\11点强度比是材料的强度（断开时单位面积所受的力）除以其表观密度。又被称为强度－重量。比强度越高表明达到相应强度所用的材料质量越轻29当前第29页\共有101页\编于星期二\11点2.3.1.2等温空心等厚盘K1及K230当前第30页\共有101页\编于星期二\11点31当前第31页\共有101页\编于星期二\11点32当前第32页\共有101页\编于星期二\11点33当前第33页\共有101页\编于星期二\11点34当前第34页\共有101页\编于星期二\11点35当前第35页\共有101页\编于星期二\11点36当前第36页\共有101页\编于星期二\11点37当前第37页\共有101页\编于星期二\11点38当前第38页\共有101页\编于星期二\11点39当前第39页\共有101页\编于星期二\11点40当前第40页\共有101页\编于星期二\11点41当前第41页\共有101页\编于星期二\11点42当前第42页\共有101页\编于星期二\11点2.3.1.4非均热盘、热应力σa=043当前第43页\共有101页\编于星期二\11点

对于实心盘K1及K2K1及K244当前第44页\共有101页\编于星期二\11点对于空心盘K1及K2K1及K245当前第45页\共有101页\编于星期二\11点实心盘46当前第46页\共有101页\编于星期二\11点47当前第47页\共有101页\编于星期二\11点空心盘48当前第48页\共有101页\编于星期二\11点49当前第49页\共有101页\编于星期二\11点总应力50当前第50页\共有101页\编于星期二\11点51当前第51页\共有101页\编于星期二\11点锥形盘52当前第52页\共有101页\编于星期二\11点实心锥形盘53当前第53页\共有101页\编于星期二\11点带孔锥形盘54当前第54页\共有101页\编于星期二\11点等强度盘55当前第55页\共有101页\编于星期二\11点56当前第56页\共有101页\编于星期二\11点等强度盘温度条件57当前第57页\共有101页\编于星期二\11点58当前第58页\共有101页\编于星期二\11点等强度盘的几何条件59当前第59页\共有101页\编于星期二\11点60当前第60页\共有101页\编于星期二\11点等强度盘剖面形状61当前第61页\共有101页\编于星期二\11点62当前第62页\共有101页\编于星期二\11点63当前第63页\共有101页\编于星期二\11点64当前第64页\共有101页\编于星期二\11点等强度剖面形状及许用应力65当前第65页\共有101页\编于星期二\11点66当前第66页\共有101页\编于星期二\11点等强度盘的实现67当前第67页\共有101页\编于星期二\11点68当前第68页\共有101页\编于星期二\11点69当前第69页\共有101页\编于星期二\11点70当前第70页\共有101页\编于星期二\11点2.4复杂型面轮盘强度近似计算71当前第71页\共有101页\编于星期二\11点等厚圆环法的基本思路72当前第72页\共有101页\编于星期二\11点等厚圆环计算公式73当前第73页\共有101页\编于星期二\11点（1）内外环面应力递推矩阵形式74当前第74页\共有101页\编于星期二\11点（2）相邻圆环间应力递推75当前第75页\共有101页\编于星期二\11点76当前第76页\共有101页\编于星期二\11点（3）整个轮盘应力递推77当前第77页\共有101页\编于星期二\11点78当前第78页\共有101页\编于星期二\11点79当前第79页\共有101页\编于星期二\11点计算公式离心力80当前第80页\共有101页\编于星期二\11点（1）第一次试算81当前第81页\共有101页\编于星期二\11点（2）第二次试算82当前第82页\共有101页\编于星期二\11点（3）应力修正83当前第83页\共有101页\编于星期二\11点（2）热应力84当前第84页\共有101页\编于星期二\11点（3）总应力85当前第85页\共有101页\编于星期二\11点轮缘径向应力确定86当前第86页\共有101页\编于星期二\11点注意问题87当前第87页\共有101页\编于星期二\11点88当前第88页\共有101页\编于星期二\11点89当前第89页\共有101页\编于星期二\11点90当前第90页\共有101页\编于星期二\11点91当前第91页\共有101页\编于星期二\11点92当前第92页\共有101页\编于星期二\11点93当前第93页\共有101页\编于星期二\1