Nosnostní charakteristiky a stav výpočtů disku kompresoru a turbíny letadlových motorů

Nosnostní charakteristiky a stav výpočtů disku kompresoru a turbíny letadlových motorů

I když jsou rozdíly ve funkcích a strukturách rotorů kompresoru a turbíny, co se týče pevnosti, pracovní podmínky kol obou jsou přibližně stejné. Nicméně je teplota turbínové desky vyšší, což znamená, že pracovní prostředí turbínové desky je tvrdší.

Zátěže nesoucí kompresní nebo turbínová deska letadlového motoru jsou následující:

1. Centrifugální síla hmotnosti

Vrtulník musí odolávat centrifugální síle vyráběnou listy a samotnou vrtulí způsobenou rotací rotoru. Následující rychlostní podmínky by měly být uvažovány při výpočtu pevnosti:

Rychlost v ustáleném stavu u bodu počítaného na sílu, stanovená v obalu letu;

Maximálně povolená rychlost v ustáleném stavu, stanovená v specifikaci modelu;

115% a 122% maximálně povolené rychlosti v ustáleném stavu.

Listy, zámky, přepážky, šrouby, hřebíky a šroubovice montované na disku jsou všechny umístěny na okraji kolesa. Obvykle je vnější okraj kola umístěný na dně drážky. Za předpokladu, že tyto zátěže jsou rovnoměrně rozloženy na ploše vnějšího okraje kola, je rovnoměrná zátěž:

Kde F je součet všech vnějších zátěží, R je poloměr vnějšího kruhu kola a H je osová šířka vnějšího okraje kola.

Když je spodní část drážky pro klínový spoj rovnoběžná s osou rotace kotouče, bere se jako poloměr pozice spodní části drážky vnější okrajový poloměr; když má spodní část drážky pro klínový spoj v ose rotace kotouče úhlové naklonění ve směru poloměru, bere se jako přibližná hodnota průměru poloměrů spodní části drážky na předním a zadním okraji.

2. Tepelné zatížení

Kolečková deska musí snášet tepelné zatížení způsobené nerovnoměrným ohřevem. Pro kompresní disk lze tepelné zatížení obecně ignorovat. Nicméně, s nárůstem celkového tlakového poměru motoru a rychlosti letu dosahuje výfukový proud kompresoru velmi vysoké teploty. Proto nemusí být tepelné zatížení disků před a za kompresorem vždy zanedbatelné. Pro turbínový disk je tepelné napětí nejdůležitějším ovlivňujícím faktorem po centrifugální síle. Během výpočtu by měly být zohledněny následující typy teplotních polí:

Stacionární teplotní pole pro každý specifikovaný výpočet pevnosti uvedený v letovém obalu;

Stacionární teplotní pole v typickém letovém cyklu;

Přechodové teplotní pole v typickém letovém cyklu.

Při odhadu, pokud nemohou být poskytnuta původní data v celé míře a není k dispozici měřená teplota pro referenci, lze použít parametry proudění ve stavu návrhu a ve stavu nejvyššího tepelného zatížení pro odhad. Empirický vzorec pro odhad teplotního pole na disku je:

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

m=2 odpovídá titanové slitině a ferritické oceli bez vynuceného chlazení;

m=4 odpovídá niklové slitině s vynuceným chlazením.

• Pro disk vysokotlakého kompresoru

Stacionární teplotní pole:

Pokud není přítomen chladicí proud, lze považovat za to, že neexistuje rozdíl teplot.

Když je přítomný chlazící proudový vzduch, může být Tb přibližně považován za teplotu výstupního vzduchu na každé úrovni kanálu + 15 ℃ , a T0 může být přibližně považován za teplotu výstupního vzduchu na úrovni extrakčního chlazebního vzduchu + 15 ℃ .

Dočasné teplotní pole:

Tb může být přibližně považován za teplotu výstupního vzduchu na každé úrovni kanálu;

T0 může být přibližně považován za 50 % teploty kola, pokud není přítomen chlazící proudový vzduch; pokud je přítomen chlazící proudový vzduch, může být přibližně považován za teplotu výstupního vzduchu na úrovni extrakce chlazebního vzduchu.

• Pro turbínové disky

Stacionární teplotní pole:

Tb0 je průřezová teplota kořene lopatky; △ T je teplotní klesání desky, které může být přibližně uvedeno jako následující: △ T=50-100 ℃ pokud není deska chlazena; △ T=250-300 ℃ když je špona ochlazována.

Dočasné teplotní pole:

Disku s ochlazovacími lopatkami lze přibližně aproximovat následovně: doba trvání teplotního gradientu = 1,75 × stacionární teplotní gradient;

Disku bez ochlazovacích lopatek lze přibližně aproximovat následovně: doba trvání teplotního gradientu = 1,3 × stacionární teplotní gradient.

3. Plynová síla (axiální a obvodová síla) přenášená lopatkami a plynovým tlakem na přední a zadní straně vrtulníku

• Plynová síla přenášená lopatkami

Pro kompresní lopatky je složka plynové síly působící na jednotkovou výšku lopatky:

Axiální:

Kde Zm a Q jsou průměrný poloměr a počet lopatek; ρ 1m a ρ 2m jsou hustoty proudění vzduchu v ústupních a výstupních částech; C1am a C2am jsou axiální rychlosti proudění vzduchu v průměrném poloměru ústupních a výstupních částí; p1m a p2m jsou statické tlaky proudění vzduchu v průměrném poloměru ústupních a výstupních částí.

Obvodový směr:

• Pro turbínové lopatky

Směr síly plynu na plyn se liší od obou uvedených vztahů znaménkem mínus. V obecném případě existuje určitý tlak v dutině mezi dvoustupňovými vrtulemi (zejména kompresními vrtulemi). Pokud je rozdílný tlak v sousedních prostorech, bude to způsobovat tlakový rozdíl mezi dvěma dutinami na vrtuli, △ p=p1-p2. Obvykle △ p má malý vliv na statickou sílu vrtule, zejména když je v otvoru v lopatce vrtule, △ p může být zanedbán.

4.Moment gyroskopické síly vyvolaný během manévrového letu

Pro velké průměry ventilátorových desk s vějíři je třeba zvážit vliv momentů gyroskopické síly na ohýbavé napětí a deformaci disku.

5.Dynamické zátěže vyvolané vibracemi lopatek a disku

Napětí způsobené vibracemi lopatek a disku by mělo být přičteno k statickému napětí. Obecné dynamické zátěže jsou:

Periodická nehomogenní plynová síla na lopatky. V důsledku přítomnosti závěsu a oddělené spalovací komory v proudnicích je vzduchový tok nejednotný podél obvodu, což vyvolává periodickou nesymetrickou plynovou sílu na lopatky. Frekvence této rozbuškové síly je: Hf = ω m. Mezi nimi ω je rychlost rotoru motoru a m je počet závěsů nebo spalovacích komor.

Periodická nehomogenní plynová tlaková síla na povrch disku.

Působivá síla přenášená na disk prostřednictvím spojovací osy, spojovacího prstenu nebo jiných dílů. To je způsobeno nerovnováhou soustavy hrotů, která způsobuje vibraci celého stroje nebo rotorové soustavy, čímž se pohybuje i spojený disk.

Mezi listy víceotorového turbíny existují složité rušivé síly, které ovlivňují vibraci systému disku a desky.

Vibrace spojení disku. Vibrace okraje disku je spojena s vlastními kmitocharakteristikami systému disku. Když je působivá síla na systém disku blízká určitému řádu dynamické frekvence systému, dojde ke rezonanci a systém vyprodukuje vibracní stres.

6.Montážní stres na spojně mezi diskem a hrotem

Přítomnost těsnicového spojení mezi deskou a hrotem vyvolá v deskách montážní úporný stres. Velikost montážního úporného stresu závisí na těsnicovém spojení, velikosti a materiálu disku a hrotu a je také související s jinými zátěžemi působícími na disk. Například existenci odstředivé zátěže a teplotního stresu rozšíří centrální díru disku, sníží těsnici a také sníží montážní úporný stres.

Mezi uvedenými zátěžemi jsou hlavními složkami hmotnostní odstředivá síla a tepelná zátěž. Při výpočtu pevnosti je třeba zohlednit následující kombinace otáček a teploty:

Rychlost každého bodu specifikovaného v letovém obalu a teplotní pole v příslušném bodě;

Pole rovnovážné teploty v bodě maximálního tepelného zatížení nebo maximální rozdíl teplot během letu a maximální povolená rovnovážná operační rychlost, nebo odpovídající pole rovnovážné teploty, když je dosažena maximální povolená rovnovážná operační rychlost během letu.

Pro většinu motorů je start často nejhorším stavem stresu, proto by měl být brán v úvahu kombinovaný přechodný teplotní profil během startu (když je dosažen maximální rozdíl teplot) a maximální operační rychlost během startu.