Belastningskarakteristika og beregningsstatus for kompressor- og turbineskiver til flymotorer

Belastningskarakteristika og beregningsstatus for kompressor- og turbineskiver til flymotorer

Selvom der er forskelle i funktionerne og strukturerne af kompressor- og turbinerotorer, hvad angår styrke, er arbejdsforholdene for hjulene på de to nogenlunde de samme. Turbineskiven har dog en højere temperatur, hvilket betyder, at arbejdsmiljøet for mølleskiven er mere barskt.

Belastningerne på kompressorskiven eller turbineskiven på en flymotor er som følger:

1. Massecentrifugalkraft

Løbehjulet skal modstå centrifugalkraften fra bladene og selve løbehjulet forårsaget af rotorens rotation. Følgende hastighedsforhold bør tages i betragtning ved styrkeberegning:

Steady-state driftshastighed ved det styrkeberegningspunkt, der er specificeret inden for flyveområdet;

Maksimal tilladt stationær driftshastighed angivet i modelspecifikationen;

115 % og 122 % af den maksimalt tilladte stationære driftshastighed.

Knivene, låsene, ledepladerne, boltene, møtrikkerne og skruerne installeret på skiven er alle placeret i kanten af ​​hjulskiven. Normalt er den yderste kant af hjulskiven i bunden af ​​rillen. Forudsat at disse belastninger er jævnt fordelt på overfladen af ​​hjulskivens yderkant, er den ensartede belastning:

Hvor F er summen af ​​alle ydre belastninger, R er radius af hjulets ydre cirkel, og H er den aksiale bredde af hjulets ydre kant.

Når bunden af ​​rillen og tappen er parallel med hjulskivens rotationsakse, tages den ydre kantradius som radius af den position, hvor bunden af ​​rillen er placeret; når bunden af ​​not- og tapnoten har en hældningsvinkel i radial retning med hjulskivens rotationsakse, tages den ydre kantradius tilnærmelsesvis som gennemsnitsværdien af ​​for- og bagkantnotens bundradius.

2. Termisk belastning

Hjulskiven skal tåle den termiske belastning forårsaget af ujævn opvarmning. For kompressorskiven kan den termiske belastning generelt ignoreres. Men med stigningen af ​​motorens totale trykforhold og flyvehastighed har kompressorens udgangsluftstrøm nået en meget høj temperatur. Derfor er den termiske belastning af skiverne før og efter kompressoren nogle gange ikke ubetydelig. For turbineskiven er termisk spænding den vigtigste påvirkningsfaktor efter centrifugalkraften. Følgende typer temperaturfelter bør tages i betragtning under beregningen:

Steady-state temperaturfelt for hver styrkeberegning specificeret i flyvekonvolutten;

Steady-state temperaturfelt i en typisk flyvecyklus;

Overgangstemperaturfelt i en typisk flyvecyklus.

Ved estimering, hvis de originale data ikke kan leveres fuldt ud, og der ikke er nogen målt temperatur til reference, kan luftstrømsparametrene under designtilstanden og den højeste varmebelastningstilstand bruges til estimering. Den empiriske formel til at estimere temperaturfeltet på disken er:

I formlen er T temperaturen ved den påkrævede radius, T0 er temperaturen ved skivens midterhul, Tb er temperaturen ved skivens kant, R er en vilkårlig radius på skiven, og de nedskrevne 0 og b svarer til henholdsvis centerhul og fælge.

m=2 svarer til titanlegering og ferritisk stål uden tvungen køling;

m=4 svarer til nikkelbaseret legering med tvungen køling.

• Til højtrykskompressorskive

Steady-state temperaturfelt:

Når der ikke er nogen køleluftstrøm, kan det anses for, at der ikke er nogen temperaturforskel;

Når der er køleluftstrøm, kan Tb tilnærmelsesvis tages som udgangstemperatur for luftstrømmen på hvert niveau af kanalen + 15℃, og T0 kan tilnærmelsesvis tages som udgangstemperaturen for luftstrømmen ved udsugningskøleluftstrømsniveauet + 15℃.

Forbigående temperaturfelt:

Tb kan tilnærmelsesvis tages som udgangstemperaturen for hvert niveau af kanalluftstrøm;

T0 kan cirka tages som 50 % af fælgtemperaturen, når der ikke er nogen køleluftstrøm; når der er køleluftstrøm, kan det tilnærmelsesvis tages som udgangstemperaturen for køleluftstrømudsugningstrinnet.

• Til turbineskive

Steady-state temperaturfelt:

Tb0 er tværsnitstemperaturen af ​​bladroden; △T er temperaturfaldet af tapen, som kan tages omtrent som følger: △T=50-100℃ når tapen ikke er afkølet; △T=250-300℃ når tapen er afkølet.

Forbigående temperaturfelt:

Skiven med køleblade kan tilnærmes som følger: forbigående temperaturgradient = 1.75 × steady-state temperaturgradient;

Skiven uden køleblade kan tilnærmes som følger: forbigående temperaturgradient = 1.3 × steady-state temperaturgradient.

3. Gaskraft (aksial og periferisk kraft) overført af bladene og gastryk på for- og bagenden af ​​pumpehjulet

• Gaskraft, der overføres fra knivene

For kompressorblade er gaskraftkomponenten, der virker på enhedens bladhøjde:

Aksial:

Hvor Zm og Q er den gennemsnitlige radius og antallet af vinger; ρ1 m og ρ2m er tætheden af ​​luftstrømmen ved indløbs- og udgangssektionerne; C1am og C2am er luftstrømmens aksiale hastighed ved den gennemsnitlige radius af indløbs- og udløbssektionerne; p1m og p2m er det statiske tryk af luftstrømmen ved den gennemsnitlige radius af indløbs- og udløbssektionerne.

Omkredsretning:

• Til turbinevinger

Retningen af ​​gaskraften på gassen er forskellig fra de to ovenstående formler med et negativt fortegn. Der er generelt et vist tryk i hulrummet mellem to-trins pumpehjulet (især kompressorhjulet). Hvis trykket i de tilstødende rum er forskelligt, vil der opstå en trykforskel på pumpehjulet mellem de to hulrum, △p=pl-p1. Generelt, △p har ringe indflydelse på pumpehjulets statiske styrke, især når der er et hul i pumpehjulets eger, △p kan ignoreres.

4.Gyroskopisk drejningsmoment genereret under manøvreringsflyvning

For blæserskiver med stor diameter og blæserblade bør virkningen af ​​gyroskopiske momenter på bøjningsspændingen og deformationen af ​​skiven overvejes.

5.Dynamiske belastninger genereret af vinge- og skivevibrationer

Vibrationsspændingen, der genereres i skiven, når bladene og skiverne vibrerer, bør overlejres med den statiske belastning. De generelle dynamiske belastninger er:

Den periodiske uensartede gaskraft på bladene. På grund af tilstedeværelsen af ​​beslaget og det separate forbrændingskammer i strømningskanalen er luftstrømmen ujævn langs omkredsen, hvilket frembringer en periodisk ubalanceret gasspændingskraft på vingerne. Frekvensen af ​​denne spændende kraft er: Hf = ωm. Blandt dem, ω er motorrotorens hastighed, og m er antallet af beslag eller forbrændingskamre.

Det periodiske uensartede gastryk på skivens overflade.

Den spændende kraft, der overføres til skiven gennem den tilsluttede aksel, forbindelsesring eller andre dele. Dette skyldes ubalancen i akselsystemet, som forårsager vibrationer af hele maskinen eller rotorsystemet, og derved får den tilsluttede skive til at vibrere sammen.

Der er komplekse interferenskræfter mellem bladene på multi-rotor-turbinen, som vil påvirke vibrationen af ​​skiven og pladesystemet.

Vibration af skivekobling. Vibrationen af ​​skivekantkoblingen er relateret til skivesystemets iboende vibrationsegenskaber. Når den spændende kraft på disksystemet er tæt på en bestemt rækkefølge af dynamisk frekvens af systemet, vil systemet give resonans og generere vibrationsbelastning.

6.Monteringsspænding ved forbindelsen mellem skiven og akslen

Interferenspasningen mellem skiven og akslen vil generere samlingsspænding på skiven. Størrelsen af ​​samlingsspændingen afhænger af interferenspasningen, størrelsen og materialet af skiven og akslen og er relateret til andre belastninger på skiven. For eksempel vil eksistensen af ​​centrifugalbelastning og temperaturspænding forstørre skivens midterhul, reducere interferensen og dermed reducere samlingsspændingen.

Blandt de ovennævnte belastninger er massecentrifugalkraft og termisk belastning hovedkomponenterne. Ved beregning af styrken skal følgende kombinationer af rotationshastighed og temperatur tages i betragtning:

Hastigheden af ​​hvert styrkeberegningspunkt, der er angivet i flyvekurven og temperaturfeltet ved det tilsvarende punkt;

Steady-state-temperaturfeltet ved det maksimale varmebelastningspunkt eller den maksimale temperaturforskel under flyvning og den maksimalt tilladte stationære driftshastighed, eller det tilsvarende stationære temperaturfelt, når den maksimalt tilladte stationære driftshastighed nås under flyvning.

For de fleste motorer er start ofte den værste stresstilstand, så kombinationen af ​​det transiente temperaturfelt under start (når den maksimale temperaturforskel er nået) og den maksimale driftshastighed under start bør overvejes.