面向方案設(shè)計(jì)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量評(píng)估方法

胡殿印，胡　丹，霍　楓，樊　江，陳高翔

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191；2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191；3.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

面向方案設(shè)計(jì)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量評(píng)估方法

胡殿印1，2，胡丹1，3，霍楓3，樊江1，2，陳高翔1，2

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191；2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191；3.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

為了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確地預(yù)估發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，提高質(zhì)量估算模型的估算精度，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)，建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算初級(jí)模型；考慮轉(zhuǎn)子件的應(yīng)力水平要求，完善了輪盤(pán)、葉片、軸等典型轉(zhuǎn)子件的質(zhì)量估算高級(jí)模型。建立了相應(yīng)的模型數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)發(fā)了面向方案設(shè)計(jì)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量評(píng)估平臺(tái)。利用該平臺(tái)分別對(duì)初級(jí)模型和葉片、盤(pán)、軸等典型轉(zhuǎn)子件的高級(jí)模型進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。結(jié)果表明：初級(jí)模型的估算誤差在25%之內(nèi)，高級(jí)模型轉(zhuǎn)子件的估算誤差在7%之內(nèi)。證明所提出的質(zhì)量估算初、高級(jí)模型具有較高的精度，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量評(píng)估。

質(zhì)量預(yù)估；初級(jí)模型；高級(jí)模型；應(yīng)力水平；方案設(shè)計(jì)階段；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0　引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的方案設(shè)計(jì)階段［1］估算發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，有利于軍用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，提高民用發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性［2］。發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算可采用初級(jí)模型、中級(jí)模型和高級(jí)模型［3］。在發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段，著重考慮初級(jí)模型和高級(jí)模型。

國(guó)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算方法。Gerend和Roundgill等［4］統(tǒng)計(jì)了1940～1980年間服役的350臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量、涵道比、總壓比、渦輪前溫度、飛行馬赫數(shù)等參數(shù)，建立了用于發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量估算方法，并形成了相應(yīng)的計(jì)算程序，誤差在30%以內(nèi)；NASA［5］建立了針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的質(zhì)量估算高級(jí)模型，開(kāi)發(fā)了如 WATE-1、WATE-2、WATE-S等質(zhì)量評(píng)估平臺(tái)，并將其作為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要工具，但該模型對(duì)采用新材料的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算誤差較大；2002年，Tong［8］對(duì)WATE中的輪盤(pán)質(zhì)量估算方法進(jìn)行了改進(jìn)，在滿足一定強(qiáng)度條件下估算輪盤(pán)的質(zhì)量，提高了GE90等發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量估算精度。

自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，中國(guó)開(kāi)始進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算方法研究。郭淑芬等［9］建立了針對(duì)渦噴、渦扇、渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量估算高級(jí)模型。在葉片的質(zhì)量估算模型中，僅考慮形狀、輪轂比對(duì)質(zhì)量的影響，未考慮強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，輪盤(pán)的簡(jiǎn)化模型采用實(shí)心等厚盤(pán)，這不符合輪盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；2004年黃志勇［10］利用有限元方法，考慮強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，完成了壓氣機(jī)輪盤(pán)的質(zhì)量預(yù)估；2013年楊龍龍［11］綜合考慮了輪盤(pán)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度要求，建立了基于等強(qiáng)度型面的輪盤(pán)質(zhì)量估算模型。上述2種模型均未考慮溫度梯度引起的熱應(yīng)力的影響，因此不適用于渦輪盤(pán)質(zhì)量評(píng)估。

本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段特點(diǎn)，建立了滿足精度要求的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算初級(jí)模型，完善了輪盤(pán)、葉片、軸等質(zhì)量估算的高級(jí)模型，并開(kāi)發(fā)了包括初、高級(jí)模型在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算平臺(tái)。

1　質(zhì)量估算初級(jí)模型

在方案設(shè)計(jì)階段之初，往往不能得到全面的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)，但需要得到發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量大致范圍，對(duì)其優(yōu)化和計(jì)算得到其推重比等重要參數(shù)。此時(shí)即可使用質(zhì)量估算初級(jí)模型。本文參照文獻(xiàn)［4］的數(shù)據(jù)，分析了涵道比、渦輪前溫度、壓氣機(jī)總壓比、流量等參數(shù)與總體質(zhì)量之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上擬合了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算初級(jí)模型。

1.1總體性能參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的影響

在文獻(xiàn)［4］中，參考14種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，給出了總涵道比與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的比值Kgg的曲線，如圖1所示。從圖中可見(jiàn)，Kgg隨著發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的增大而逐漸減小，且整體趨勢(shì)類似指數(shù)函數(shù)的形式。因此，在最后的模型中，涵道比對(duì)總質(zhì)量的影響以指數(shù)型函數(shù)的形式體現(xiàn)。

圖1　涵道比與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量關(guān)系

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總壓比會(huì)影響壓氣機(jī)、燃燒室和高壓渦輪部分。提高總壓比就會(huì)增加壓氣機(jī)和渦輪的級(jí)數(shù)，并提高核心機(jī)部分氣流的壓強(qiáng)和溫度。因此，隨著總壓比增大，核心機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量顯然會(huì)增加，軸和軸承的質(zhì)量也會(huì)隨之增加?？倝罕扰c發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量關(guān)系如圖2所示，體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比和質(zhì)量的比值與發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比之間的關(guān)系。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比大于15時(shí)，其比值與發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比大致呈線性關(guān)系；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比小于15時(shí)，又大致呈二次函數(shù)關(guān)系。因此，可以采用多項(xiàng)式來(lái)反映總壓比與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量之間的關(guān)系。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平的不斷提高，渦輪前溫度也隨之不斷升高。渦輪前溫度升高一般會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平的提高和高性能材料的不斷出現(xiàn)，渦輪前溫度并不如預(yù)期中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量有很大影響。渦輪前溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量關(guān)系如圖3所示。從圖中可見(jiàn)渦輪前溫度對(duì)質(zhì)量的影響趨勢(shì)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)流量能夠影響來(lái)流總溫和發(fā)動(dòng)機(jī)的徑向尺寸，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的影響較大。核心機(jī)流量與質(zhì)量的比值隨核心機(jī)流量變化的趨勢(shì)如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，該比值與流量之間可以表達(dá)成近似的二次函數(shù)關(guān)系。

圖3　渦輪前溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量關(guān)系

圖4　空氣流量與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量關(guān)系

1.2質(zhì)量估算的初級(jí)模型

搜集較常見(jiàn)的81臺(tái)軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。為了提高擬合精度，將發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)分為3個(gè)涵道比范圍進(jìn)行擬合，分別為B≤1、1＜B≤4 和B＞4。在此基礎(chǔ)上擬合響應(yīng)面，將響應(yīng)面作為質(zhì)量估算的初級(jí)模型?；谏鲜龇治?，在該響應(yīng)面中，涵道比以指數(shù)形式出現(xiàn)，其余參數(shù)都以一次項(xiàng)或二次項(xiàng)的形式出現(xiàn)，由于數(shù)據(jù)有限，擬合所得的響應(yīng)面為含有交叉項(xiàng)的2階多項(xiàng)式響應(yīng)面。采用最小二乘法得到發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算的初級(jí)模型。

利用搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同涵道比范圍的響應(yīng)面擬合，得到對(duì)應(yīng)涵道比范圍的響應(yīng)面方程。

擬合所用的B≤1的發(fā)動(dòng)機(jī)共有30臺(tái)，得到響應(yīng)面方程為

擬合所用的1＜B≤4的發(fā)動(dòng)機(jī)共有25臺(tái)，得到的響應(yīng)面方程為

擬合所用的B＞4的發(fā)動(dòng)機(jī)共有26臺(tái)，得到的響應(yīng)面方程為

式中：y為發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量；x1為渦輪前溫度；x2為總壓比；x3為涵道比；x4為流量。除發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比為指數(shù)函數(shù)的形式之外，其余參數(shù)均以多項(xiàng)式函數(shù)的形式體現(xiàn)在方程中。

2　質(zhì)量估算高級(jí)模型

高級(jí)模型考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)的流道參數(shù)、應(yīng)力水平、材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，將發(fā)動(dòng)機(jī)部件細(xì)分，分別估算其質(zhì)量，累加得到整機(jī)質(zhì)量。風(fēng)扇、增壓級(jí)、高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪、低壓渦輪都可分為若干級(jí)，主體部分質(zhì)量為單級(jí)質(zhì)量之和，每1級(jí)包括機(jī)匣、轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片、輪盤(pán)和級(jí)間連接件。在完成上述分解的基礎(chǔ)上，建立發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)零部件的質(zhì)量估算公式，進(jìn)而完成發(fā)動(dòng)機(jī)總體的質(zhì)量估算。

2.1轉(zhuǎn)子件質(zhì)量估算的高級(jí)模型

旋轉(zhuǎn)部件是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要、負(fù)荷最大的部件，因此，輪盤(pán)、葉片、軸等轉(zhuǎn)子件質(zhì)量估算的高級(jí)模型精度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)的重要因素之一。為此，考慮轉(zhuǎn)子件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求建立轉(zhuǎn)子件質(zhì)量估算的高級(jí)模型。

表1　搜集到的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)

2.1.1輪盤(pán)高級(jí)模型

為了充分發(fā)揮材料的承載潛力，減輕質(zhì)量，目前輪盤(pán)多為等強(qiáng)度設(shè)計(jì)［12］。在方案設(shè)計(jì)階段，將風(fēng)扇、壓氣機(jī)、增壓級(jí)、渦輪部件的輪盤(pán)簡(jiǎn)化為由輪緣、輻板和輪轂3部分組成的模型，如圖5所示。輪緣的尺寸設(shè)計(jì)與輪盤(pán)上葉片的尺寸有關(guān)，其厚度約等于葉片的弦長(zhǎng)，高度可根據(jù)葉片榫頭類型按經(jīng)驗(yàn)值選??；輻板處采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則；輪轂處則假設(shè)為等厚度空心盤(pán)。

圖5　輪盤(pán)簡(jiǎn)化模型

圖中：W為輪緣厚度，約等于葉片的弦長(zhǎng)；R為輪緣外半徑，等于葉根半徑Rh；輪緣高度H，根據(jù)榫頭類型按經(jīng)驗(yàn)值選取；Wdr、Wds分別為輻板外、內(nèi)緣厚度；h為輪轂高度；r為輪轂內(nèi)半徑（輪盤(pán)中心孔半徑）。

由葉片離心力引起的輪緣徑向應(yīng)力為

式中：σc為單個(gè)葉片離心拉伸應(yīng)力；Ah為葉片根部的橫截面積。

輪緣處采用均勻應(yīng)力假設(shè)，計(jì)算輻板上緣處平衡葉片和輪緣離心力的厚度，由

其中：σd為輪緣設(shè)計(jì)應(yīng)力；ω為輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角速度。

輪盤(pán)質(zhì)量估算的流程如圖6所示。（1）根據(jù)輻板處的應(yīng)力水平確定輻板的上緣厚度；（2）給定中心孔半徑初值，計(jì)算中心孔邊應(yīng)力，判斷是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，若不滿足，則通過(guò)減少輻板的高度增加中心孔半徑的值，直到得到滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的中心孔半徑（反復(fù)迭代）；（3）假設(shè)輻板厚度按照指數(shù)規(guī)律變化［13］，計(jì)算得到輻板下緣厚度；（4）計(jì)算輪盤(pán)體積，從而得到輪盤(pán)的質(zhì)量。

在方案設(shè)計(jì)階段，因?yàn)檩啽P(pán)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在中心孔邊部位，所以對(duì)孔邊應(yīng)力進(jìn)行校核，得到滿足強(qiáng)

得到輻板上緣厚度為度要求的中心孔尺寸。壓氣機(jī)盤(pán)只考慮由離心力引起的孔邊周向應(yīng)力，渦輪盤(pán)則需同時(shí)考慮由離心力和溫度梯度引起的熱應(yīng)力的影響。給定輪轂中心孔半徑初值（R-H-h-0.002 m）計(jì)算孔邊應(yīng)力σt。輪轂中心孔邊周向應(yīng)力 σt0和熱應(yīng)力σT0求法分別為

圖6　輪盤(pán)質(zhì)量計(jì)算流程

式中：μ為泊松比；ρ為輪盤(pán)材料密度；q為溫度按照二次拋物線規(guī)律t=t0+qr2變化的系數(shù)；t0為孔邊溫度；α為材料的熱膨脹系數(shù)。

驗(yàn)證孔邊應(yīng)力是否滿足

式中：［σs］為許用應(yīng)力；在設(shè)計(jì)初滿足，s為安全系數(shù)，取值為1.15。若不滿足，則減少中心孔半徑r的值，返回孔邊應(yīng)力的計(jì)算，直到得到小于許用應(yīng)力對(duì)應(yīng)的r的值。

由于離心力的累加，輻板厚度一般隨半徑的減小而增大?；诰鶆驊?yīng)力假設(shè)，輻板厚度按指數(shù)規(guī)律與輪緣速度的平方成正比，則輻板下緣厚度Wds（及輪轂厚度）為［13］

2.1.2葉片高級(jí)模型

葉片簡(jiǎn)化模型如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片簡(jiǎn)化為四邊形平板。在求出葉片體積后，即可求得葉片的質(zhì)量，同時(shí)考慮強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖中：H為葉片的平均葉高；C為葉片的平均弦

基于以上計(jì)算，得到輪盤(pán)的質(zhì)量長(zhǎng)；Rt為葉尖半徑，Rh為葉根半徑。

葉片根部的離心應(yīng)力為

式中：ω為葉片旋轉(zhuǎn)角速度；ρ為葉片的材料密度。按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

圖7　葉片簡(jiǎn)化模型

式中：［σs］為許用應(yīng)力；n為安全系數(shù)；壓氣機(jī)葉片取值為6，渦輪葉片取值為1.8［14］。

根據(jù)以上公式可求出葉片的葉根半徑Rt。代入葉片的體積公式［5］

式中：AR為展弦比；K為1個(gè)與葉片輪轂比及榫頭形式有關(guān)的系數(shù)。

從文獻(xiàn)［8］中可知：（1）對(duì)于風(fēng)扇、壓氣機(jī)和增壓級(jí)葉片來(lái)說(shuō)，當(dāng)輪轂比小于0.75，K=0.0485，當(dāng)輪轂比大于0.75時(shí)，有

（2）對(duì)于高壓和低壓渦輪葉片，動(dòng)葉K值為0.195，靜葉為0.144。

則葉片質(zhì)量

2.1.3軸高級(jí)模型

在軸的質(zhì)量估算過(guò)程中，根據(jù)軸的外徑、長(zhǎng)度以及它所傳遞的扭矩，應(yīng)用軸的應(yīng)力公式可確定其內(nèi)徑尺寸。將軸看成1個(gè)空心圓柱體，軸的最大剪切應(yīng)力為

其中：d為軸的外徑；α為軸的內(nèi)外徑之比。

對(duì)于常用的軸類合金鋼，剪切應(yīng)力的取值為300～400 MPa［14］。根據(jù)此應(yīng)力水平可確定上述式中α的取值。最大剪切應(yīng)力滿足

軸的質(zhì)量為

式中：Lsh為軸的長(zhǎng)度；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值為2。

3　質(zhì)量估算平臺(tái)

在質(zhì)量估算初、高級(jí)模型的基礎(chǔ)上搭建了面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量估算軟件平臺(tái)，形成了1整套估算系統(tǒng)，并且建立了質(zhì)量估算數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量估算相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、查詢和刪除的功能。

3.1數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與工具

在數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)運(yùn)用上，利用SqlServer2005數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，使數(shù)據(jù)庫(kù)在這種方式下有效地管理分布式網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，使得可以通過(guò)客戶端管理數(shù)據(jù)。服務(wù)器端主要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任務(wù)，計(jì)算任務(wù)在客戶端完成，以減輕服務(wù)端的壓力［15］。

在2層結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)方式，采用目前用得比較廣泛、對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)支持能力比較強(qiáng)，具有可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法的開(kāi)發(fā)工具Visual Studio 2010，利用C#語(yǔ)言面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，開(kāi)發(fā)程序的各功能模塊。

3.2程序設(shè)計(jì)與軟件平臺(tái)

程序按功能共分為3部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，即數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)、質(zhì)量估算系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)在參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、輸入部件數(shù)據(jù)并維護(hù)各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的入庫(kù)和對(duì)數(shù)據(jù)的管理，為查詢數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源。

數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)數(shù)據(jù)的查詢和修改功能。

質(zhì)量估算系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)針對(duì)錄入數(shù)據(jù)或者存量數(shù)據(jù)，估算目標(biāo)部件的質(zhì)量，并給出相應(yīng)的提示。高級(jí)質(zhì)量估算界面如圖8所示。

圖8　高級(jí)質(zhì)量估算界面

4　實(shí)例計(jì)算

4.1實(shí)例1

利用質(zhì)量評(píng)估平臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段的初級(jí)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。將未用于擬合的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)代入模型中，在B≤1內(nèi)的AL31F發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)代入初級(jí)模型，得到的質(zhì)量為1617 kg，誤差為5.57%；將1＜B≤4圍內(nèi)的FJ44-1A發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)代入初級(jí)模型，得到質(zhì)量為 252 kg，誤差為 23.2%；將 B＞4內(nèi)的CFM56-5-C2發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)代入初級(jí)模型，得到質(zhì)量為2896 kg，誤差為13.9%。初級(jí)模型的誤差范圍在25%以內(nèi)。

4.2實(shí)例2

對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)第2級(jí)輪盤(pán)和高壓渦輪第1級(jí)盤(pán)進(jìn)行了質(zhì)量估算，估算結(jié)果見(jiàn)表2。估算結(jié)果與實(shí)際盤(pán)質(zhì)量誤差在7%之內(nèi)，表明所提出的高級(jí)模型具有較高的精度。

表2　輪盤(pán)質(zhì)量估算參數(shù)

4.3實(shí)例3

對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片進(jìn)行了質(zhì)量估算，葉片材料為T(mén)C4，轉(zhuǎn)速為3200 r/min，葉尖半徑0.85 m，弦長(zhǎng)0.297 m，葉片實(shí)際質(zhì)量為9.75 kg。根據(jù)式（12）～（16）估算其質(zhì)量為9.44 kg，誤差為-3.18%。

4.4實(shí)例4

對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪第2級(jí)葉片進(jìn)行了質(zhì)量估算，材料為DD6，轉(zhuǎn)速為18750 r/min，葉尖半徑為0.3 m，弦長(zhǎng)為0.04 m，渦輪葉片的實(shí)際質(zhì)量為0.165 kg，根據(jù)式（12）～（16）估算其質(zhì)量為0.156 kg，誤差為-5.45%。

4.5實(shí)例5

某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸，材料為GH4169，外徑為0.0322 m，長(zhǎng)度為1.1 m，扭矩為983.62 N·m，實(shí)際質(zhì)量為5.0495 kg，根據(jù)式（17）～（19）估算質(zhì)量為5.0973 kg，誤差為0.98%。

4.6實(shí)例6

某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸，材料為鎳基高溫合金，外徑為0.135 m，長(zhǎng)度為1.41 m，傳遞扭矩為81340 N·m，實(shí)際質(zhì)量為9.9839 kg，根據(jù)式（17）～（19）估算質(zhì)量為9.8451 kg，誤差為1.4%。

5　結(jié)論

（1）建立了面向方案設(shè)計(jì)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算初級(jí)模型，誤差在25%以內(nèi)，滿足對(duì)初級(jí)模型的要求。

（2）考慮了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，完善了輪盤(pán)、葉片、軸等典型轉(zhuǎn)子件質(zhì)量估算高級(jí)模型，誤差在7%以內(nèi)，提高了估算精度。

（3）開(kāi)發(fā)了面向方案設(shè)計(jì)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算軟件平臺(tái)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的初步設(shè)計(jì)提供有益的參考。

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（編輯：張寶玲）

Estimation Method of Aeroengine Weight at Concept Design Stage

HU Dian-yin1,2，HU Dan1,3，HUO Feng3，F(xiàn)AN Jiang1,2，CHEN Gao-xiang1,2
（1.School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China；3.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

In order to accurately estimate the weight of aeroengine in the stage of concept design and improve prediction accuracy of evaluation model.Aiming at design characteristics in the stage of aeroengine concept design，a primary model was established.Meanwhile，in view of the strength requirements，advanced models to predict the weights of the components including disk，blade and shaft were improved.Model database was established and the aeroengine weight estimation platform for concept design stage was developed.The primary model and advanced model were calculated and verificated by the platform.The results show that the errors of the primary and advanced weight models are 25%and 7%respectively，confirming that the primary model and advanced model have higher accuracy and can be used for evaluating the components'weights in the concept design of aeroengine.

weight estimation；primary model；advanced model；stress distribution；concept design stage；areoengine

V 232.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.006

2015-09-18基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51305012，51375031）、航空科學(xué)基金（2014ZB51）資助

胡殿?。?980），女，博士，副教授，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及疲勞壽命；E-mail：hdy@buaa.edu.cn。

引用格式：胡殿印，胡丹，霍楓，等.面向方案設(shè)計(jì)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量評(píng)估方法［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（2）：27-33.HUDianyin，HUDan，HUOFeng，etal. Estimationmethodforaeroengineweightatconceptdesignstage［J］.Aeroengine，2016，42（2）：27-33.