某冲压空气涡轮结构设计及强度寿命振动分析

论文摘要

冲压空气涡轮是飞机应急动力装置的一种,其将飞机飞行中来流的动能转化成转子的机械能,通常作为飞机的附加动力使用。为了设计出一个比较完善冲压空气涡轮并保证其在服役期的稳定性和可靠性,需要在精确测绘某型冲压空气涡轮的基础上对其进行结构和设计方法研究,并进行强度、振动及疲劳寿命的研究。本文先对某型涡轮样机进行总体结构分析,了解随动涡轮装置的总体结构特性和总体结构方案。然后在精确测绘样机涡轮几何参数的基础上对其结构、材料、加工制造工艺等进行分析。此后,采用ANSYS软件建立涡轮典型零部件——叶片、涡轮盘、整体叶盘的有限元模型并计算他们在离心载荷下的应力分布,论文还对涡轮榫头/榫槽进行了接触应力分析,结果表明某型涡轮的静强度均满足设计要求。根据以上的分析计算结果和材料的疲劳特性,分别选用S—N曲线法和莫罗公式法计算了涡轮转子关键零部件的疲劳寿命,得到涡轮的各零部件的疲劳寿命在许可的范围里。最后,采用ANSYS软件对涡轮叶片、轴、盘片以及盘片轴分别进行振动特性分析,对涡轮转子系统进行临界转速分析以及对涡轮整机进行谐响应分析。分析结果表明就振动而言该型涡轮的设计是完全合理的。本文的研究结果对进一步开展该型冲压空气涡轮的相关试验研究和改进、改型设计具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 APU 和EPU 的国内外现状及发展方向
• 1.2.1 飞机的辅助动力装置
• 1.2.2 飞机的应急动力装置
• 1.2.3 RAT 与APU 的区别和联系
• 1.2.4 未来发展方向——组合动力装置
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 涡轮总体结构分析
• 2.1 总体结构设计分析
• 2.2 部件结构设计分析
• 2.3 结构总体特性分析
• 2.4 小结
• 第三章 涡轮零部件结构和设计方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 某型涡轮结构设计
• 3.2.1 涡轮结构总图
• 3.2.2 涡轮静子焊接组合件
• 3.2.3 涡轮转子平衡组合件
• 3.2.4 涡轮转子组合件的平衡方法
• 3.2.5 整流罩支座组合件
• 3.3 涡轮叶片
• 3.3.1 涡轮叶片结构
• 3.3.2 涡轮叶片造型
• 3.3.3 涡轮叶片二维制图
• 3.4 小结
• 第四章 涡轮典型零件的静强度与寿命的分析与评定
• 4.1 工况与载荷分析
• 4.2 涡轮叶片的静强度分析
• 4.2.1 涡轮叶片的有限元模型
• 4.2.2 涡轮叶片的静强度计算结果与分析
• 4.3 涡轮盘的静强度分析
• 4.3.1 涡轮盘的有限元模型
• 4.3.2 涡轮盘静强度计算结果与分析
• 4.4 涡轮整体叶盘静强度分析
• 4.4.1 整体叶盘的有限元模型
• 4.4.2 整体叶盘的静强度计算结果与分析
• 4.5 榫头/榫槽的接触分析
• 4.5.1 榫头/榫槽的接触有限元模型
• 4.5.2 榫头/榫槽接触二维有限元计算结果分析
• 4.5.3 榫头/榫槽接触三维有限元计算结果分析
• 4.5.4 榫头/榫槽二维三维有限元计算结果对比分析
• 4.6 涡轮典型零件的疲劳寿命预估
• 4.6.1 基于名义应力法计算的疲劳寿命
• 4.6.2 基于莫罗公式法的疲劳寿命
• 4.6.3 疲劳寿命计算对比分析
• 4.7 小结
• 第五章 涡轮典型零部件的振动模态分析
• 5.1 叶片振动模态分析
• 5.1.1 叶片动频分析
• 5.1.2 尾流激振频率与CampBell 图
• 5.1.3 共振与共振转速分析
• 5.2 盘片与盘片轴振动模态分析
• 5.2.1 实体模型
• 5.2.2 涡轮盘片耦合以及涡轮盘片轴耦合振动分析
• 5.2.3 结果分析
• 5.3 涡轮的临界转速分析
• 5.3.1 轴的振动模态分析
• 5.3.2 涡轮转子系统的弯曲振动模态分析
• 5.3.3 涡轮转子系统的谐响应分析
• 5.3.4 涡轮的临界转速结果分析
• 5.4 涡轮整机的谐响应分析
• 5.4.1 谐响应分析的原理
• 5.4.2 ANSYS 谐响应计算方法
• 5.4.3 整机的谐响应分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 论文工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文