某型涡喷发动机抗过载能力分析

（南京模拟技术研究所，江苏 南京 210016）

机动型无人靶机在机动过程中会给机载设备带来额外的过载。因此，为某型靶机配备的发动机需要进行抗过载能力的计算分析。靶机机动过载会对发动机转子带来额外的弯曲载荷，以及对轴承带来严重的附加载荷。本文主要通过分析靶机8g过载下某型发动机轴系轴向变形以及轴承所承受的载荷来，以此分析改性发动机的抗过载能力。

1 载荷分析

靶机在飞行过程中，发动机轴系承受的载荷有扭转载荷，轴向载荷、弯曲载荷、径向载荷以及热载荷。其中扭转载荷为涡轮带动压气机产生的扭矩；轴向载荷有气动载荷、飞机发射过载，发动机轴向振动过载；弯曲载荷（如所示，由于弯曲载荷的方向）有零件自重，转子不平衡力、飞机径向机动过载、发动机径向振动过载、陀螺力矩；径向载荷主要为发动机零件的质量离心力。同时，发动机轴系机动过程中所承受的弯曲载荷，由于转子不平衡力，机动惯性力的方向处于不断变化过程中，图示的受力为最大弯曲载荷的情况，即所有的弯曲载荷方向为同一方向。图1所示为发动机轴系机动过程中的轴向受力分析图。

图1 发动机轴系轴向载荷

气动载荷主要由叶片轮盘前后动量差、静压差带来的气动力，计算结果如表1、2示。

表1 压气机转子轮盘轴向力计算

表2 转子轮盘轴向力计算

轴系轴向气动力为向前拉力4862N。质量离心力主要为转子转动产生的径向载荷，180WP发动机最大转速为49000RPM。温度载荷是由发动机工作过程中不同部位的温度分布不均造成，根据内流场压气机及涡轮计算结果以及轴承腔大致温度分布，轴系最高温度位于涡轮叶尖处为917℃，最低温度位于压气机前缘为环境温度约15℃。

2 轴系变形有限元计算

计算模型选取压气机主轴及涡轮组成的转子系，所有接触设定为bonded，两个轴承外圈施加径向及轴向约束，前轴承前端面施加轴向约束。

2．1 最大轴向变形计算

根据第二节的受力分析，发动机轴系最大轴向变形产生于飞机发射瞬间，其瞬间轴向加速度为20g，此时无机动过载。

将上述载荷（除9g机动过载外，假设发射瞬间发动机处于最大转速）施加到计算模型，计算得到的该型发动机最大轴向变形如下图所示。

图2 某型发动机最大轴向变形

可以看到，该型发动机涡轮最大轴向变形为0.55mm，方向为逆航向，此处轴向无间隙控制，较为安全，压气机最大轴向间隙为0.17mm，而180WP发动机轴向窜动控制在0.2～0.3mm，轴承游隙实测为0.04mm，因此轴系最大轴向位移为0.51mm，小于压气机间隙0.9～1mm，较为安全。

2．2 最大径向变形计算

根据上文受力分析，发动机轴系最大径向变形产生于靶机机动过程中，此时无20g轴向惯性过载，施加上文计算载荷（除发射瞬间20g过载外），其中假设Y向为靶机机动方向，得到发动机径向变形分布如下。

3 轴承承载能力分析

3．1 机动过载

已知该型发动机的轴系重量5.7kg，极惯性矩J=13094 kg·mm2；最大旋转角速度为5128.7rad/s；靶机9g过载飞行时飞行速度大于300m/s，即角速度为0.3rad/s。可以计算得到，发动机工作过程中产生的最大陀螺力矩为57N·m。本发动机设计时两支撑跨度为68.7mm，所以陀螺力矩对轴承施加的径向力为829N。

另外，发动机在工作状态需持续承受横向加速度为9g的惯性过载，单个轴承受惯性力为257N。所以，发动机机动飞行时单个轴承承受的最大径向载荷为697N。本发动机选型的陶瓷滚珠角接触轴承可承受动额定负荷高达16900N，远高于陀螺力矩产生的径向力，因此，可以认为抗过载能力是满足的。

3．2 冲击过载

发动机在回收状态需承受轴向20g冲击过载，单个轴承承受载荷为570N，远小于轴承静额定负载7050N，具有足够的安全裕度。

3．3 气动轴向力

轴向力主要指由叶片轮盘前后动量差、静压差带来的气动力，根据前文计算结果，主轴受向前拉力4862N，小于轴承静额定负载7050N，具有足够的安全裕度。

4 结语

当靶机机在某型发动机最大转速下发射以及进行9g机动时，发动机的转子变形处于安全范围内，且轴承仍留有足够的安全裕度，满足设计要求。

图3 压气机径向变形（热态）