Belastningskarakteristika og beregningsstatus for kompressor- og turbinekopper i flymotorer

Belastningskarakteristika og beregningsstatus for kompressor- og turbinekopper i flymotorer

Selvom der er forskelle i funktionerne og strukturen af kompressor- og turbinrotorer, i forhold til styrke er arbejdsbetingelserne for hjulene på begge to i stor udstrækning de samme. Men turbinehjulet er under højere temperatur, hvilket betyder, at turbinehjulet har en mere streng arbejdsomgivning.

De belastninger, som en kompressorkop eller turbinekop i en flymotor bærer, er følgende:

1. Massencentrifugalkraft

Skaben skal kunne modstå centrifugalkraften fra bladene og skaben selv, forårsaget af rotorens rotation. Følgende hastighedsbetingelser bør overvejes i styrkeberegningerne:

Stationsære driftshastighed ved det angivne styrkeberegningpunkt inden for flyvneskemaet;

Den maksimale tilladte stationsære driftshastighed, som er specificeret i modellspecifikationen;

115% og 122% af den maksimale tilladte stationsære driftshastighed.

Bladene, låsere, dampere, boldtråde, mutter og skruer monteret på disken befinder sig alle på kanten af hjuldisken. Normalt ligger den yderste kant af hjuldisken nederst i en grob. Ved antagelse om, at disse belastninger er jævnt fordelt på overfladen af den yderste kant af hjuldisken, er den jævne belastning:

Hvor F er summen af alle eksterne belastninger, R er radiusen for den yderste cirkel af hjulet, og H er den aksevise bredde af den yderste kant af hjulet.

Når bunden af mortis- og tenon-groben er parallel med rotationsaksen af hjuldisken, tages den ydre kantradius som radius på den position, hvor grobbunden befinder sig; når bunden af mortis- og tenon-groben har en hældningsvinkel i radialretning med rotationsaksen af hjuldisken, tages den ydre kantradius tilnærmet som gennemsnitsspørgsmålet af de forreste og bagste kantgrobbundsradiuser.

2. Termisk belastning

Hjulskiven skal kunne bære den termiske belastning, der forårsages af ulige opvarmninger. For kompressorskiven kan den termiske belastning normalt ignoreres. Imidlertid med stigningen i motorens samlede trykforhold og flygt hastighed har kompressoren udgående luftstrøm nået en meget høj temperatur. Derfor er den termiske belastning af skiverne før og efter kompressoren iblanden ikke negligerbart. For turbin-skiven er termisk spænding det vigtigste påvirkningsfaktor efter centrifugalkraften. Følgende typer af temperaturfelter bør overvejes under beregningen:

Stationær temperaturfelt for hver styrkeberegning specificeret i flydækken;

Stationær temperaturfelt i et typisk flydæk;

Overgangstemperaturfelt i et typisk flydæk.

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

I formlen er T temperaturen på det ønskede radius, T0 temperaturen i midtåbningen af disken, Tb temperaturen ved kanten af disken, R et vilkårligt radius på disken, og subskripterne 0 og b svarer henholdsvis til midtåbningen og kanten.

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

m=4 svarer til nikkelbaseret alloy med tvungen køling.

• For højtrykskompressorforanke

Stationært temperaturfelt:

Når der ikke er nogen køleluftstrøm, kan det antages, at der ikke er nogen temperatursforskel;

Når der er køleluftstrømning, kan Tb cirka tages som luftstrømmens udgangstemperatur på hvert niveau af kanalen + 15 ℃ , og T0 kan cirka tages som luftstrømmens udgangstemperatur på trinnet for køleluftstrømningen + 15 ℃ .

Transitorisk temperaturfelt:

Tb kan cirka tages som udgangstemperaturen for luftstrømmen på hvert niveau af kanalen;

T0 kan cirka tages som 50% af hjulfløjstemperaturen, når der ikke er køleluftstrømning; når der er køleluftstrømning, kan det cirka tages som udgangstemperaturen for køleluftstrømningens trin.

• For turbinskive

Stationært temperaturfelt:

Tb0 er skæftrodens tværsnits temperatur; △ T er temperaturen i spændet, hvilket kan tages cirka som følger: △ T=50-100 ℃ når spændet ikke er kølet; △ T=250-300 ℃ når tøjet er kølet.

Transitorisk temperaturfelt:

Skiven med køleblader kan tilnærmes således: midlertidig temperaturgradient = 1.75 × stationær temperaturgradient;

Skiven uden køleblader kan tilnærmes således: midlertidig temperaturgradient = 1.3 × stationær temperaturgradient.

3. Gasstyrke (aksial og omkredsliggende styrke) overført af bladene og gastryk på foran og bagenden af hjulet

• Gasstyrke overført fra bladene

For kompressorblad, er gasstyrken komponent, der virker på enhedsbladhøjde, følgende:

Aksial:

Hvor Zm og Q er den gennemsnitlige radius og antallet af blade; ρ 1m og ρ 2m er luftstrømmens tæthed ved indgangs- og udgangsdelen; C1am og C2am er luftstrømmens aksekvindhed ved den gennemsnitlige radius af indgangs- og udgangsdelen; p1m og p2m er luftstrømmens statiske tryk ved den gennemsnitlige radius af indgangs- og udgangsdelen.

Omkredsrretning:

• For turbineblade

Retsningen af gasstyrken på gaset er forskellig fra de to ovenstående formler med et negativt fortegn. Der findes normalt en bestemt tryk i hulen mellem de to-trins impeller (især kompressorimpeller). Hvis trykket i de nabostedte rum er forskelligt, vil der opstå et trykforskel på impelleren mellem de to huller, △ p=p1-p2. Normalt, △ p har lidt indflydelse på impellerns statiske styrke, især når der er et hull i impellerrækkerne, △ kan p ignoreres.

4.Gyroskopisk torque, der genereres under manøvrerende flyvning

For store diameter faner med faneblad, bør virkningen af gyroscopiske øjeblik på bøjningsstressen og deformationen af disken overvejes.

5.Dynamiske belastninger genereret af blad- og disk-vibration

Vibrationsstressen, der opstår i disken, når bladene og disker vibrerer, skal sammenflettes med den statiske stress. De almindelige dynamiske belastninger er:

Den periodiske ikke-lige gasstyrke på bladene. På grund af tilstedeværelsen af en stak og adskilte brændingskamre i strømningskanalen er luftstrømmen ulige langs omkredsen, hvilket forårsager en periodisk ubalanceret gasaktiverende kraft på bladene. Frekvensen for denne aktiverende kraft er: Hf = ω m. Der blandt ω er hastigheden af motorens rotor, og m er antallet af stakke eller brændingskamre.

Den periodiske ikke-lige gastryk på diskoverfladen.

Den spændende kraft, der overføres til disken gennem den forbundne akse, forbinderingsring eller andre dele. Dette skyldes ubalancen i akssystemet, hvilket forårsager vibration af hele maskinen eller rotor-systemet, derefter driver den forbundne disk til at vibrere sammen.

Der er komplekse styrkeinterferencer mellem bladene på den flerrotor-turbine, hvilket vil påvirke vibrationen af disk- og pladesystemet.

Diskkopplingsvibration. Diskens kantekoppelingsvibration har relation til de intrinsiske vibrationskarakteristika for disk-systemet. Når den spændende kraft på disk-systemet nærmer sig en bestemt orden af dynamisk frekvens for systemet, vil systemet resonere og generere vibrationsstress.

6.Montage-stress ved forbindelsen mellem disken og aksen

Det faste forbindelse mellem disken og aksen vil generere monteringsstress på disken. Størrelsen af monteringsstresset afhænger af det faste forbindelse, størrelsen og materialet af disken og aksen og er relateret til andre belastninger på disken. For eksempel vil eksistensen af centrifugalkraft og temperaturstress forstørre centrumshullet på disken, reducere det faste forbindelse og dermed reducere monteringsstresset.

Blant de ovennævnte belastninger er massecentrifugalkraften og termiske belastninger de hovedsaglige komponenter. Ved styrkeberegningerne skal følgende kombinationer af rotationshastighed og temperatur overvejes:

Hastigheden for hver styrkeberegningspunkt specificeret i flyveomslaget og temperaturfeltet ved det tilsvarende punkt;

Temperaturfeltet i ligevægtstilstanden ved punktet med maksimal varmebelastning eller den maksimale temperaturforskel under flyvning og den maksimale tilladte ligevægtsdriftshastighed, eller det tilsvarende ligevægtstemperaturfelt, når den maksimale tilladte ligevægtsdriftshastighed nås under flyvning.

For de fleste motorer er afgang ofte den værste spændingstilstand, så kombinationen af det midlertidige temperaturfelt under afgang (når den maksimale temperaturforskel nås) og den maksimale driftshastighed under afgang bør overvejes.