Zatěžovací charakteristiky a stav výpočtu kompresorových a turbínových kotoučů leteckých motorů

Zatěžovací charakteristiky a stav výpočtu kompresorových a turbínových kotoučů leteckých motorů

I když existují rozdíly ve funkcích a strukturách rotorů kompresoru a turbíny, z hlediska pevnosti jsou pracovní podmínky kol obou zhruba stejné. Turbínový kotouč má však vyšší teplotu, což znamená, že pracovní prostředí turbínového kotouče je drsnější.

Zatížení kotouče kompresoru nebo kotouče turbíny leteckého motoru jsou následující:

1. Hmotnostní odstředivá síla

Oběžné kolo musí odolat odstředivé síle lopatek a samotného oběžného kola způsobené rotací rotoru. Při výpočtu pevnosti je třeba vzít v úvahu následující rychlostní podmínky:

Provozní rychlost v ustáleném stavu v bodě výpočtu pevnosti specifikovaném v letové obálce;

Maximální přípustná provozní rychlost v ustáleném stavu uvedená ve specifikaci modelu;

115 % a 122 % maximální dovolené provozní rychlosti v ustáleném stavu.

Nože, zámky, usměrňovače, šrouby, matice a šrouby nainstalované na disku jsou všechny umístěny na okraji disku kola. Obvykle je vnější hrana disku kola na dně drážky. Za předpokladu, že tato zatížení jsou rovnoměrně rozložena na povrchu vnější hrany disku kola, je rovnoměrné zatížení:

Kde F je součet všech vnějších zatížení, R je poloměr vnější kružnice kola a H je axiální šířka vnější hrany kola.

Když je dno drážky a čepu rovnoběžné s osou otáčení disku kola, je poloměr vnější hrany brán jako poloměr polohy, kde se nachází dno drážky; když má dno drážky pro zadlabací a čepovou drážku úhel sklonu v radiálním směru s osou otáčení disku kola, je poloměr vnější hrany přibližně brán jako průměrná hodnota poloměru dna drážky přední a zadní hrany.

2. Tepelné zatížení

Disk kola musí nést tepelné zatížení způsobené nerovnoměrným ohřevem. U disku kompresoru lze tepelné zatížení obecně ignorovat. Se zvýšením celkového tlakového poměru motoru a rychlosti letu však výstupní vzduch z kompresoru dosáhl velmi vysoké teploty. Tepelné zatížení kotoučů před a za kompresorem je proto někdy nezanedbatelné. Pro kotouč turbíny je po odstředivé síle nejdůležitějším ovlivňujícím faktorem tepelné namáhání. Při výpočtu je třeba vzít v úvahu následující typy teplotních polí:

Ustálené teplotní pole pro každý pevnostní výpočet specifikovaný v letové obálce;

Ustálené teplotní pole v typickém letovém cyklu;

Přechodové teplotní pole v typickém letovém cyklu.

Pokud při odhadu nelze plně poskytnout původní data a není k dispozici žádná naměřená teplota pro referenci, lze pro odhad použít parametry proudění vzduchu v návrhovém stavu a stavu nejvyšší tepelné zátěže. Empirický vzorec pro odhad teplotního pole na disku je:

Ve vzorci je T teplota na požadovaném poloměru, T0 je teplota ve středovém otvoru disku, Tb je teplota na okraji disku, R je libovolný poloměr na disku a indexy 0 a b odpovídají středovému otvoru a ráfku.

m=2 odpovídá slitině titanu a feritické oceli bez nuceného chlazení;

m=4 odpovídá slitině na bázi niklu s nuceným chlazením.

• Pro disk vysokotlakého kompresoru

Teplotní pole v ustáleném stavu:

Pokud neproudí chladicí vzduch, lze mít za to, že neexistuje žádný teplotní rozdíl;

Když dochází k proudění chladicího vzduchu, Tb lze přibližně brát jako výstupní teplotu proudění vzduchu na každé úrovni kanálu + 15℃, a T0 lze přibližně brát jako výstupní teplotu proudu vzduchu na úrovni proudění odsávacího chladicího vzduchu + 15℃.

Přechodné teplotní pole:

Tb lze přibližně brát jako výstupní teplotu každé úrovně proudění vzduchu kanálem;

T0 lze brát přibližně jako 50 % teploty ráfku kola, když neproudí chladicí vzduch; když dochází k proudění chladicího vzduchu, lze ji přibližně brát jako výstupní teplotu stupně extrakce proudu chladicího vzduchu.

• Pro kotouč turbíny

Teplotní pole v ustáleném stavu:

Tb0 je teplota průřezu kořene lopatky; △T je teplotní spád čepu, který lze brát přibližně takto: △T = 50-100℃ když čep není chlazen; △T = 250-300℃ když se čep ochladí.

Přechodné teplotní pole:

Disk s chladicími lopatkami lze aproximovat následovně: přechodový teplotní gradient = 1.75 × teplotní gradient v ustáleném stavu;

Disk bez chladicích lopatek lze aproximovat následovně: přechodový teplotní gradient = 1.3 × teplotní gradient v ustáleném stavu.

3. Síla plynu (axiální a obvodová síla) přenášená lopatkami a tlak plynu na přední a zadní konec oběžného kola

• Síla plynu přenášená z lopatek

U lopatek kompresoru je složka síly plynu působící na výšku lopatek jednotky:

Axiální:

Kde Zm a Q jsou průměrný poloměr a počet lopatek; ρ1m a ρ2 m jsou hustota proudění vzduchu na vstupní a výstupní části; Clam a C1am jsou axiální rychlost proudění vzduchu na průměrném poloměru vstupní a výstupní sekce; p2m a p1m jsou statický tlak proudění vzduchu v průměrném poloměru vstupní a výstupní sekce.

Obvodový směr:

• Pro lopatky turbíny

Směr síly plynu na plyn se liší od dvou výše uvedených vzorců záporným znaménkem. V dutině mezi dvoustupňovým oběžným kolem (zejména oběžným kolem kompresoru) je obecně určitý tlak. Pokud je tlak v sousedních prostorech rozdílný, dojde k tlakovému rozdílu na oběžném kole mezi dvěma dutinami, △p=p1-p2. Obvykle, △p má malý vliv na statickou pevnost oběžného kola, zvláště když je v paprsku oběžného kola díra, △p lze ignorovat.

4.Gyroskopický točivý moment generovaný během manévrovacího letu

U disků ventilátoru s velkým průměrem s lopatkami ventilátoru je třeba vzít v úvahu vliv gyroskopických momentů na ohybové napětí a deformaci disku.

5.Dynamické zatížení generované vibracemi kotouče a kotouče

Vibrační napětí generované v kotouči, když lopatky a kotouče vibrují, by mělo být superponováno se statickým napětím. Obecná dynamická zatížení jsou:

Periodická nerovnoměrná síla plynu na lopatky. V důsledku přítomnosti držáku a samostatné spalovací komory v průtokovém kanálu je proudění vzduchu po obvodu nerovnoměrné, což vytváří periodickou nevyváženou plynnou budicí sílu na lopatky. Frekvence této budící síly je: Hf = ωm Mezi nimi ω je rychlost rotoru motoru a m je počet držáků nebo spalovacích komor.

Periodický nerovnoměrný tlak plynu na povrchu disku.

Budicí síla přenášená na disk přes připojenou hřídel, spojovací kroužek nebo jiné části. To je způsobeno nevyvážeností hřídelového systému, která způsobuje vibrace celého stroje nebo rotorového systému, čímž dochází k vzájemnému chvění připojeného disku.

Mezi lopatkami vícerotorové turbíny jsou složité interferenční síly, které ovlivní vibrace kotoučového a deskového systému.

Vibrace kotoučové spojky. Vibrace spojky okraje disku souvisí s vlastními vibračními charakteristikami systému disku. Když se budicí síla na diskový systém blíží určitému řádu dynamické frekvence systému, systém bude rezonovat a generovat vibrační napětí.

6.Montážní napětí ve spojení mezi kotoučem a hřídelí

Přesah mezi diskem a hřídelí způsobí montážní napětí na disku. Velikost montážního napětí závisí na uložení s přesahem, velikosti a materiálu disku a hřídele a souvisí s dalším zatížením disku. Existence odstředivého zatížení a teplotního namáhání například zvětší středový otvor disku, sníží interferenci, a tím sníží montážní napětí.

Mezi výše zmíněnými zatíženími jsou hlavními složkami odstředivá síla hmoty a tepelné zatížení. Při výpočtu pevnosti je třeba vzít v úvahu následující kombinace rychlosti otáčení a teploty:

rychlost každého bodu výpočtu pevnosti uvedeného v letové obálce a teplotní pole v odpovídajícím bodě;

Ustálené teplotní pole v bodě maximální tepelné zátěže nebo maximální teplotní rozdíl za letu a maximální přípustná ustálená provozní rychlost nebo odpovídající ustálené teplotní pole při dosažení maximální dovolené ustálené provozní rychlosti za letu.

U většiny motorů je vzlet často nejhorším stresovým stavem, takže je třeba zvážit kombinaci přechodného teplotního pole během vzletu (když je dosaženo maximálního teplotního rozdílu) a maximální provozní rychlosti během vzletu.