某型渦噴發動機抗過載能力分析

（南京模擬技術研究所，江蘇 南京 210016）

機動型無人靶機在機動過程中會給機載設備帶來額外的過載。因此，為某型靶機配備的發動機需要進行抗過載能力的計算分析。靶機機動過載會對發動機轉子帶來額外的彎曲載荷，以及對軸承帶來嚴重的附加載荷。本文主要通過分析靶機8g過載下某型發動機軸系軸向變形以及軸承所承受的載荷來，以此分析改性發動機的抗過載能力。

1 載荷分析

靶機在飛行過程中，發動機軸系承受的載荷有扭轉載荷，軸向載荷、彎曲載荷、徑向載荷以及熱載荷。其中扭轉載荷為渦輪帶動壓氣機產生的扭矩；軸向載荷有氣動載荷、飛機發射過載，發動機軸向振動過載；彎曲載荷（如所示，由于彎曲載荷的方向）有零件自重，轉子不平衡力、飛機徑向機動過載、發動機徑向振動過載、陀螺力矩；徑向載荷主要為發動機零件的質量離心力。同時，發動機軸系機動過程中所承受的彎曲載荷，由于轉子不平衡力，機動慣性力的方向處于不斷變化過程中，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為同一方向。圖1所示為發動機軸系機動過程中的軸向受力分析圖。

圖1 發動機軸系軸向載荷

氣動載荷主要由葉片輪盤前后動量差、靜壓差帶來的氣動力，計算結果如表1、2示。

表1 壓氣機轉子輪盤軸向力計算

表2 轉子輪盤軸向力計算

軸系軸向氣動力為向前拉力4862N。質量離心力主要為轉子轉動產生的徑向載荷，180WP發動機最大轉速為49000RPM。溫度載荷是由發動機工作過程中不同部位的溫度分布不均造成，根據內流場壓氣機及渦輪計算結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前緣為環境溫度約15℃。

2 軸系變形有限元計算

計算模型選取壓氣機主軸及渦輪組成的轉子系，所有接觸設定為bonded，兩個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 最大軸向變形計算

根據第二節的受力分析，發動機軸系最大軸向變形產生于飛機發射瞬間，其瞬間軸向加速度為20g，此時無機動過載。

將上述載荷（除9g機動過載外，假設發射瞬間發動機處于最大轉速）施加到計算模型，計算得到的該型發動機最大軸向變形如下圖所示。

圖2 某型發動機最大軸向變形

可以看到，該型發動機渦輪最大軸向變形為0.55mm，方向為逆航向，此處軸向無間隙控制，較為安全，壓氣機最大軸向間隙為0.17mm，而180WP發動機軸向竄動控制在0.2～0.3mm，軸承游隙實測為0.04mm，因此軸系最大軸向位移為0.51mm，小于壓氣機間隙0.9～1mm，較為安全。

2．2 最大徑向變形計算

根據上文受力分析，發動機軸系最大徑向變形產生于靶機機動過程中，此時無20g軸向慣性過載，施加上文計算載荷（除發射瞬間20g過載外），其中假設Y向為靶機機動方向，得到發動機徑向變形分布如下。

3 軸承承載能力分析

3．1 機動過載

已知該型發動機的軸系重量5.7kg，極慣性矩J=13094 kg·mm2；最大旋轉角速度為5128.7rad/s；靶機9g過載飛行時飛行速度大于300m/s，即角速度為0.3rad/s。可以計算得到，發動機工作過程中產生的最大陀螺力矩為57N·m。本發動機設計時兩支撐跨度為68.7mm，所以陀螺力矩對軸承施加的徑向力為829N。

另外，發動機在工作狀態需持續承受橫向加速度為9g的慣性過載，單個軸承受慣性力為257N。所以，發動機機動飛行時單個軸承承受的最大徑向載荷為697N。本發動機選型的陶瓷滾珠角接觸軸承可承受動額定負荷高達16900N，遠高于陀螺力矩產生的徑向力，因此，可以認為抗過載能力是滿足的。

3．2 沖擊過載

發動機在回收狀態需承受軸向20g沖擊過載，單個軸承承受載荷為570N，遠小于軸承靜額定負載7050N，具有足夠的安全裕度。

3．3 氣動軸向力

軸向力主要指由葉片輪盤前后動量差、靜壓差帶來的氣動力，根據前文計算結果，主軸受向前拉力4862N，小于軸承靜額定負載7050N，具有足夠的安全裕度。

4 結語

當靶機機在某型發動機最大轉速下發射以及進行9g機動時，發動機的轉子變形處于安全范圍內，且軸承仍留有足夠的安全裕度，滿足設計要求。

圖3 壓氣機徑向變形（熱態）