强度与振动 Chapter 3

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1、航空发动机强度与振动本章主要内容3.1基本定义和术语StructuralStressingandVibrationin3.2无扭向等截面叶片的弯曲振动AircraftftGGasTTbiurbineEngines333.3变截面叶片弯曲振动固有特性计算3.4叶片扭转振动第三章叶片振动3.5影响叶片自振频率的主要因素Chapter3BladeVibrations3.6叶片激振源分析373.7排除叶片故障的方法能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering12/16/

2、20131:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering23.1基本定义和术语3.1.1概述3.1.1概述叶片振动和叶片振动疲劳损伤故障是发动机中较为严重3.1.2叶片振动特性的问题；叶片振动故障在高气动负荷下尤为突出；振动主要参数叶片振动故障多为疲劳损伤；单个叶片振型振动种类：成组叶片振动强迫振动—共振(Resonance)整体叶轮振动高循环疲劳(HighCycleFatigue,HCF)颤振(()Flutter)低/高循环疲劳(LowCy

3、cleFatigue,LCF)旋转失速随机振动12/16/20131:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering312/16/20131:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering413.1.1概述3.1.1概述对于强迫振动引起的共振，叶片为高循环疲劳破坏，叶研究叶片振动，要掌握的主要内容片表面呈现高循环疲劳断口特征，有明显的疲劳源、疲叶片的振动特性劳条带、疲劳损伤区及强度不足瞬断区；外激振力特性对于气流诱导振动

4、（颤振），叶片多为大应变的低/高叶片频率（或模态）和弹性线循环疲劳，表面疲劳条带较宽，断口为穿晶裂纹，并在叶片振动响应和稳定性计算很短的时间内损伤折断；叶片排故和防振、减振措施目前，发动机技术要求的提高和使用寿命的增长，叶片实验研究方法疲劳损伤和疲劳寿命的研究已广泛开展。计算方法解析法：本章重点，物理概念清晰有限元法：适用范围广12/16/20131:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering512/16/20131:35:28PMSchoolof

5、EnergyandPowerEngineering6叶片失效—实例叶片失效—实例RB211高压3级叶片掉块PW4185-3高压5级转子叶片叶尖掉块PW4052发动机压气机叶片失效12/16/20131:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering712/16/20131:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering823.1.2叶片基本振动特性3.1.2叶片基本振动特性振动的主要参数应力,MPa振幅A：振动时叶片各截面上的

6、质点距原平衡位置的最大距离；频率f：叶片每秒钟振动次数，单位Hz，固有属性；节线：共振时叶片截面上振幅为0的点的连线；振型(模态或振动形态)：叶片振动形态，指叶片自由振动或共振时各处振幅的相对关系；振动应力：计算、测量时间,s12/16/20131:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering912/16/20131:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering103.1.2叶片振动基本特性单个叶片振型单个叶片振型弯曲

7、振动：关于各横截面最小惯性轴的弯曲振动；扭转振动：绕扭心线扭转的振动；弦向弯曲振动：沿叶高出现两条以上纵向节线；复合振动：弯扭耦合振动。目前航空发动机风扇/压气机叶片多为宽弦薄叶片，振动多属于弯扭耦合，或以弯为主，弯中带扭；或以扭为主，扭中带弯。此时叶片振动应力分布较纯弯或纯扭要弦向弯扭复杂得多。弯曲振型B1B1B2B3,B2,B3扭转振型T1T1T2,T2弯曲复合12/16/20131:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering1112/16/20131

8、:35:28PMSchoolofEnergyandPowerEngineering1233.1.2叶片振动基本特性3.2等截面叶片的弯曲振动成组叶片振动3.2.1等截面叶片基本方程环或连接件无节点的振动。这种振型相位相同、振幅相近、3.2.2等截面梁(叶片)弯曲振动方程频率一致，但频率为最低；3.2.3弯曲振动自然频率环上有节点的振动。出现同相位振动或反相位振动，反相位振型(节点数少于叶片数)的频率高于同相位振型的频率；3.2.4振型成组叶片振动