Товарови характеристики и изчислително състояние на компресорни и турбинни дискове на авиационни двигатели

Товарови характеристики и изчислително състояние на компресорни и турбинни дискове на авиационни двигатели

Въпреки че има разлики във функциите и структурите на роторите на компресора и турбината, по отношение на здравината работните условия на колелата на двете са приблизително еднакви. Турбинният диск обаче е с по-висока температура, което означава, че работната среда на турбинния диск е по-сурова.

Натоварванията, поети от диска на компресора или диска на турбината на авиационен двигател, са както следва:

1. Масова центробежна сила

Работното колело трябва да издържа на центробежната сила на лопатките и самото работно колело, причинено от въртенето на ротора. При изчисляване на якостта трябва да се вземат предвид следните условия на скоростта:

Равномерна работна скорост в точката за изчисляване на якостта, посочена в рамките на полетната обвивка;

Максимално допустима стабилна работна скорост, посочена в спецификацията на модела;

115% и 122% от максимално допустимата стабилна работна скорост.

Остриетата, ключалките, преградите, болтовете, гайките и винтовете, монтирани на диска, са разположени на ръба на диска на колелото. Обикновено външният ръб на диска на колелото е в долната част на жлеба. Ако приемем, че тези натоварвания са равномерно разпределени по повърхността на външния ръб на диска на колелото, равномерното натоварване е:

Където F е сумата от всички външни натоварвания, R е радиусът на външния кръг на колелото, а H е аксиалната ширина на външния ръб на колелото.

Когато дъното на жлеба на вдлъбнатината и шипа е успоредно на оста на въртене на диска на колелото, радиусът на външния ръб се приема като радиус на позицията, където се намира дъното на жлеба; когато дъното на жлеба на вдлъбнатината и шипа има ъгъл на наклон в радиална посока с оста на въртене на диска на колелото, радиусът на външния ръб се приема приблизително като средна стойност на радиусите на дъното на жлеба на предния и задния ръб.

2. Термично натоварване

Дискът на колелото трябва да понесе термичното натоварване, причинено от неравномерно нагряване. За диска на компресора термичното натоварване обикновено може да се пренебрегне. Въпреки това, с увеличаване на съотношението на общото налягане на двигателя и скоростта на полета, въздушният поток на изхода на компресора е достигнал много висока температура. Поради това термичното натоварване на дисковете преди и след компресора понякога не е за пренебрегване. За диска на турбината топлинното напрежение е най-важният влияещ фактор след центробежната сила. По време на изчислението трябва да се вземат предвид следните видове температурни полета:

Стационарно температурно поле за всяко изчисление на якост, посочено в полетната обвивка;

Стационарно температурно поле в типичен полетен цикъл;

Температурно поле на преход в типичен полетен цикъл.

При оценката, ако оригиналните данни не могат да бъдат предоставени напълно и няма измерена температура за справка, параметрите на въздушния поток при проектното състояние и състоянието на най-високото топлинно натоварване могат да се използват за оценка. Емпиричната формула за оценка на температурното поле на диска е:

Във формулата T е температурата при необходимия радиус, T0 е температурата в централния отвор на диска, Tb е температурата в ръба на диска, R е произволен радиус на диска, а индексите 0 и b съответстват съответно на централния отвор и ръба.

m=2 съответства на титанова сплав и феритна стомана без принудително охлаждане;

m=4 съответства на сплав на никелова основа с принудително охлаждане.

• За компресорен диск с високо налягане

Стационарно температурно поле:

Когато няма охлаждащ въздушен поток, може да се счита, че няма температурна разлика;

Когато има охлаждащ въздушен поток, Tb може приблизително да се приеме като температура на изхода на въздушния поток на всяко ниво на канала + 15℃, а T0 може приблизително да се приеме като температура на изхода на въздушния поток при ниво на въздушния поток за охлаждане на екстракцията + 15℃.

Преходно температурно поле:

Tb може приблизително да се приеме като температура на изхода на всяко ниво на въздушния поток в канала;

T0 може да се приеме приблизително като 50% от температурата на джантата, когато няма охлаждащ въздушен поток; когато има охлаждащ въздушен поток, той може приблизително да се приеме като температура на изхода на етапа на извличане на охлаждащия въздушен поток.

• За турбинен диск

Стационарно температурно поле:

Tb0 е температурата на напречното сечение на основата на лопатката; △T е температурният спад на шипа, който може да се приеме приблизително както следва: △Т=50-100℃ когато шипът не е охладен; △Т=250-300℃ когато шипът е охладен.

Преходно температурно поле:

Дискът с охлаждащи лопатки може да бъде приблизително определен, както следва: преходен температурен градиент = 1.75 × постоянен температурен градиент;

Дискът без охлаждащи лопатки може да бъде приблизително определен, както следва: преходен температурен градиент = 1.3 × стационарен температурен градиент.

3. Газова сила (аксиална и периферна сила), предавана от лопатките и газовото налягане върху предния и задния край на работното колело

• Газова сила, предавана от лопатките

За лопатките на компресора компонентът на газовата сила, действащ върху височината на лопатката на уреда, е:

Аксиален:

Където Zm и Q са средният радиус и брой на лопатките; ρ1 м и ρ2m са плътността на въздушния поток на входа и изхода; C1am и C2am са аксиалната скорост на въздушния поток при средния радиус на входната и изходната секции; p1m и p2m са статичното налягане на въздушния поток при средния радиус на входната и изходната секции.

Периферна посока:

• За турбинни лопатки

Посоката на газовата сила върху газа е различна от двете формули по-горе с отрицателен знак. Обикновено има известно налягане в кухината между двустепенното работно колело (особено работното колело на компресора). Ако налягането в съседните пространства е различно, ще се получи разлика в налягането върху работното колело между двете кухини, △p=p1-p2. общо взето, △p има малък ефект върху статичната якост на работното колело, особено когато има дупка в спицата на работното колело, △p може да се игнорира.

4.Жироскопичен въртящ момент, генериран по време на маневрен полет

За вентилаторни дискове с голям диаметър с вентилаторни лопатки трябва да се вземе предвид ефектът на жироскопичните моменти върху напрежението на огъване и деформацията на диска.

5.Динамични натоварвания, генерирани от вибрации на острието и диска

Вибрационното напрежение, генерирано в диска, когато лопатките и дисковете вибрират, трябва да се насложи със статичното напрежение. Общите динамични натоварвания са:

Периодичната неравномерна газова сила върху лопатките. Поради наличието на скоба и отделна горивна камера в канала на потока, въздушният поток е неравномерен по периферията, което създава периодична небалансирана възбуждаща сила на газа върху лопатките. Честотата на тази възбуждаща сила е: Hf = ωм. Сред тях, ω е скоростта на ротора на двигателя, а m е броят на скобите или горивните камери.

Периодичното неравномерно налягане на газа върху повърхността на диска.

Вълнуващата сила, предавана на диска чрез свързания вал, свързващ пръстен или други части. Това се дължи на дисбаланса на системата от валове, което причинява вибрациите на цялата машина или роторната система, като по този начин задвижва свързания диск да вибрира заедно.

Между лопатките на многороторната турбина съществуват сложни интерферентни сили, които ще повлияят на вибрациите на системата от диск и плоча.

Вибрация на дисковия съединител. Вибрацията на свързване на ръба на диска е свързана с присъщите вибрационни характеристики на дисковата система. Когато възбуждащата сила върху дисковата система е близо до определен порядък на динамичната честота на системата, системата ще резонира и ще генерира вибрационен стрес.

6.Монтажно напрежение при връзката между диска и вала

Намесата между диска и вала ще генерира напрежение при сглобяване на диска. Големината на напрежението при сглобяване зависи от намесата, размера и материала на диска и вала и е свързана с други натоварвания върху диска. Например наличието на центробежно натоварване и температурно напрежение ще разшири централния отвор на диска, ще намали смущенията и по този начин ще намали напрежението при сглобяване.

Сред горепосочените натоварвания основните компоненти са масовата центробежна сила и топлинното натоварване. При изчисляване на якостта трябва да се вземат предвид следните комбинации от скорост на въртене и температура:

Скоростта на всяка точка за изчисляване на якостта, посочена в полетната обвивка, и температурното поле в съответната точка;

Стационарното температурно поле в точката на максимално топлинно натоварване или максималната температурна разлика по време на полет и максималната допустима стабилна работна скорост, или съответното стационарно температурно поле, когато максималната допустима стабилна работна скорост е достигната по време на полет.

За повечето двигатели излитането често е най-лошото състояние на напрежение, така че трябва да се вземе предвид комбинацията от преходното температурно поле по време на излитане (когато се достигне максималната температурна разлика) и максималната работна скорост по време на излитане.