航空发动机工程通论-初步设计中的重量估算误差控制在±4%

此外，还应对发动机重量进行估算。估算法有两类：按发动机总参数推算或者按零部件计算。王凤［5］、潘代峰［6］、张韬［7］等给出了初步的估算方法。

7.2.5.1　发动机总参数推算

用于估算重量的经验公式也被称为重量模型，是一种“自上而下”的分析，基于已有的发动机设计数据，通过回归分析，从而确定某些设计参数与重量之间的函数关系。这种方法的优点是速度快、算法简单；其缺点是受数据多样性的限制，不能预估应用更先进的材料和结构后具有的重量优势，往往需要进行人为修正。当设计参数明显偏离数据样本时，其预估精度非常低，因而应用受到限制。

文献［5］给出了一种涡扇发动机重量的经验关系式估算：发动机重量mE为

式中，OPR——总压比；

BPR——涵道比；

F——最大不加力推力；

g——重力加速度；

m——发动机空气流量。

7.2.5.2　零部件计算

基于初步构形设计计算发动机重量是一种“自下向上”的分析，它从工程细节上研究发动机的每个零部件，以确定该怎样设计、尺寸取多大、采用什么材料、包括哪些非结构重量等，然后将每个构件的重量累计到一起得出发动机的整机重量。这种算法的精度较高，适应性更广，但计算量大，算法复杂。

以下给出了一种通过零部件来估算发动机重量的方法［6］：对于发动机的压气机、涡轮构件，采用构形设计得到的几何形状来计算其重量；而对于燃烧系统、喷管、外部管路、承力构件和附件等，则采用统计模型估算重量。此方法对初步设计的发动机重量估算误差在±4%。

（1）压气机、涡轮模型

1）叶片模型：叶片质量 m 为

式中，r

T——叶尖半径；

rH——叶根半径；

AR——展弦比；

t——叶型最大厚度；

n——叶片数，一般按中径处叶片间距等于轴向弦长计算（取偶数）；

ρ——材料密度。

2）轮盘模型：如图7－17 所示，通常由轮缘、辐板和轮毂三部分构成。轮盘重量模型的主要特征参数：W 为轮缘厚度，一般为叶片轴向弦长；R 为轮缘外半径，等于叶根半径rH；HR为轮缘高度，根据榫头类型按经验确定；WDR为腹板外缘厚度；WDS为腹板内缘厚度；h 为轮毂高度；r 为轮毂内半径。(www.xing528.com)

3）机匣轴系模型：如图 7－18 所示，特征模型壁厚 ta为

式中，D0——特征段平均外径，D0=ta＋（D1＋D2）/2；

T——特征段扭矩；

τ——材料许用剪应力。则机匣轴系模型质量m 为

式中，La——特征段长度；

D1——特征段进口内径；

D2——特征段出口内径。

图7-18　轮盘模型

图7-19　机匣及轴系计算模型

（2）燃烧系统模型

火焰头部装置与燃油喷嘴重量m 为

式中，k——修正系数；

L——环形通道长度；

Ro——环形通道外半径；

Ri——环形通道内半径，计算加力燃烧室火焰头部装置及燃油喷嘴重量时，Ri=0。

（3）喷管模型

喷管分为收敛段和扩散段，分别根据其长度、进出口及喉道直径按机匣类零件估算，其厚度按喷管类型根据经验选取。通常固定面积喷管的壁厚取1.5 mm，可变面积喷管的壁厚取4.0 mm。

（4）外部附件

发动机附件、管路、控制器、电缆、支架等部分的重量根据经验取值，一般可取为发动机主机重量的8%～10%。