Belastungscharakteristik und Berechnungsstand von Verdichter- und Turbinenscheiben von Flugzeugtriebwerken

Belastungscharakteristik und Berechnungsstand von Verdichter- und Turbinenscheiben von Flugzeugtriebwerken

Obwohl es Unterschiede in Funktion und Aufbau der Verdichter- und Turbinenrotoren gibt, sind die Arbeitsbedingungen der Räder beider hinsichtlich der Festigkeit ungefähr gleich. Die Turbinenscheibe weist jedoch eine höhere Temperatur auf, was bedeutet, dass die Arbeitsumgebung der Turbinenscheibe rauer ist.

Die Belastungen, denen die Verdichterscheibe bzw. die Turbinenscheibe eines Flugzeugtriebwerks ausgesetzt ist, sind wie folgt:

1. Massenzentrifugalkraft

Das Laufrad muss der Zentrifugalkraft der Schaufeln und des Laufrads selbst standhalten, die durch die Drehung des Rotors verursacht wird. Die folgenden Geschwindigkeitsbedingungen sollten bei der Festigkeitsberechnung berücksichtigt werden:

Stationäre Betriebsgeschwindigkeit am innerhalb der Flugenveloppe angegebenen Festigkeitsberechnungspunkt;

Maximal zulässige Dauerbetriebsdrehzahl, angegeben in der Modellspezifikation;

115 % und 122 % der maximal zulässigen Dauerbetriebsdrehzahl.

Die an der Scheibe angebrachten Schaufeln, Schlösser, Leitbleche, Bolzen, Muttern und Schrauben befinden sich alle am Rand der Radscheibe. Normalerweise befindet sich der äußere Rand der Radscheibe am Boden der Nut. Unter der Annahme, dass diese Lasten gleichmäßig auf der Oberfläche des äußeren Rands der Radscheibe verteilt sind, beträgt die gleichmäßige Last:

Dabei ist F die Summe aller äußeren Lasten, R der Radius des äußeren Kreises des Rades und H die axiale Breite der Außenkante des Rades.

Wenn der Boden der Zapfennut parallel zur Drehachse der Radscheibe verläuft, wird der Außenkantenradius als Radius der Stelle angenommen, an der sich der Boden der Nut befindet; wenn der Boden der Zapfennut in radialer Richtung zur Drehachse der Radscheibe einen Neigungswinkel aufweist, wird der Außenkantenradius ungefähr als Durchschnittswert der Radien des vorderen und hinteren Rands der Nutböden angenommen.

2. Thermische Belastung

Die Radscheibe muss die thermische Belastung durch ungleichmäßige Erwärmung aushalten. Bei der Kompressorscheibe kann die thermische Belastung im Allgemeinen vernachlässigt werden. Mit zunehmendem Gesamtdruckverhältnis und der Fluggeschwindigkeit des Triebwerks hat der Luftstrom am Kompressorauslass jedoch eine sehr hohe Temperatur erreicht. Daher ist die thermische Belastung der Scheiben vor und nach dem Kompressor manchmal nicht zu vernachlässigen. Bei der Turbinenscheibe ist die thermische Belastung nach der Zentrifugalkraft der wichtigste Einflussfaktor. Die folgenden Arten von Temperaturfeldern sollten bei der Berechnung berücksichtigt werden:

Stationäres Temperaturfeld für jede im Flugbereich angegebene Festigkeitsberechnung;

Stationäres Temperaturfeld in einem typischen Flugzyklus;

Übergangstemperaturfeld in einem typischen Flugzyklus.

Wenn bei der Schätzung die Originaldaten nicht vollständig bereitgestellt werden können und keine gemessene Temperatur als Referenz vorliegt, können die Luftstromparameter unter dem Konstruktionszustand und dem Zustand mit der höchsten Wärmelast zur Schätzung verwendet werden. Die empirische Formel zur Schätzung des Temperaturfelds auf der Festplatte lautet:

In der Formel ist T die Temperatur am erforderlichen Radius, T0 die Temperatur am Mittelloch der Scheibe, Tb die Temperatur am Rand der Scheibe, R ein beliebiger Radius auf der Scheibe und die Indizes 0 und b entsprechen jeweils dem Mittelloch und dem Rand.

m=2 entspricht Titanlegierung und ferritischem Stahl ohne Zwangskühlung;

m=4 entspricht einer Nickelbasislegierung mit forcierter Kühlung.

• Für Hochdruckkompressorscheibe

Stationäres Temperaturfeld:

Wenn kein kühlender Luftstrom vorhanden ist, kann davon ausgegangen werden, dass kein Temperaturunterschied besteht.

Bei einem kühlenden Luftstrom kann Tb ungefähr als die Auslasstemperatur des Luftstroms auf jeder Ebene des Kanals + 15 angenommen werden.℃, und T0 kann näherungsweise als die Austrittstemperatur des Luftstroms auf der Ebene des Abluftkühlluftstroms + 15 angenommen werden.℃.

Transientes Temperaturfeld:

Tb kann ungefähr als Austrittstemperatur jeder Ebene des Kanalluftstroms angenommen werden;

T0 kann ungefähr mit 50 % der Felgentemperatur ohne Kühlluftstrom angenommen werden, bei vorhandenem Kühlluftstrom kann es ungefähr mit der Austrittstemperatur der Kühlluftstrom-Absaugstufe angenommen werden.

• Für Turbinenscheibe

Stationäres Temperaturfeld:

Tb0 ist die Querschnittstemperatur der Schaufelwurzel; △T ist der Temperaturabfall des Zapfens, der näherungsweise wie folgt berechnet werden kann: △T=50-100℃ wenn der Zapfen nicht gekühlt wird; △T=250-300℃ wenn der Zapfen abgekühlt ist.

Transientes Temperaturfeld:

Die Scheibe mit Kühlschaufeln kann wie folgt angenähert werden: vorübergehender Temperaturgradient = 1.75 × stationärer Temperaturgradient;

Die Scheibe ohne Kühlschaufeln kann wie folgt angenähert werden: vorübergehender Temperaturgradient = 1.3 × stationärer Temperaturgradient.

3. Von den Schaufeln übertragene Gaskraft (Axial- und Umfangskraft) und Gasdruck am Vorder- und Hinterende des Laufrads

• Von den Schaufelblättern übertragene Gaskraft

Bei Kompressorschaufeln beträgt die auf die Einheitsschaufelhöhe wirkende Gaskraftkomponente:

Axial:

Wobei Zm und Q der durchschnittliche Radius und die Anzahl der Schaufelblätter sind; ρ1m und ρ2m ist die Dichte des Luftstroms an den Einlass- und Auslassabschnitten; C1am und C2am sind die Axialgeschwindigkeit des Luftstroms am durchschnittlichen Radius der Einlass- und Auslassabschnitte; p1m und p2m sind der statische Druck des Luftstroms am durchschnittlichen Radius der Einlass- und Auslassabschnitte.

Umfangsrichtung:

• Für Turbinenschaufeln

Die Richtung der Gaskraft auf das Gas unterscheidet sich von den beiden obigen Formeln durch ein negatives Vorzeichen. Im Hohlraum zwischen dem zweistufigen Laufrad (insbesondere dem Kompressorlaufrad) herrscht im Allgemeinen ein bestimmter Druck. Wenn der Druck in den angrenzenden Räumen unterschiedlich ist, entsteht am Laufrad zwischen den beiden Hohlräumen ein Druckunterschied. △p=p1-p2. Im Allgemeinen △p hat wenig Einfluss auf die statische Festigkeit des Laufrades, insbesondere wenn sich in der Laufradspeiche ein Loch befindet, △p kann ignoriert werden.

4.Gyroskopisches Drehmoment beim Manövrieren

Bei Lüfterscheiben mit großem Durchmesser und Lüfterflügeln muss die Auswirkung der Kreiselmomente auf die Biegespannung und Verformung der Scheibe berücksichtigt werden.

5.Durch Schaufel- und Scheibenschwingungen erzeugte dynamische Belastungen

Die Schwingungsspannung, die in der Scheibe durch die Schwingung der Schaufeln und Scheiben entsteht, muss von der statischen Spannung überlagert werden. Die allgemeinen dynamischen Belastungen sind:

Die periodische, ungleichmäßige Gaskraft auf die Schaufeln. Aufgrund der Halterung und der separaten Brennkammer im Strömungskanal ist der Luftstrom entlang des Umfangs ungleichmäßig, was eine periodische, ungleichmäßige Gasanregungskraft auf die Schaufeln erzeugt. Die Frequenz dieser Anregungskraft beträgt: Hf = ωm. Unter ihnen, ω ist die Geschwindigkeit des Motorrotors und m ist die Anzahl der Klammern oder Brennkammern.

Der periodisch ungleichmäßige Gasdruck auf der Scheibenoberfläche.

Die Erregerkraft wird über die angeschlossene Welle, den Verbindungsring oder andere Teile auf die Scheibe übertragen. Dies ist auf die Unwucht des Wellensystems zurückzuführen, die die Vibration der gesamten Maschine oder des Rotorsystems verursacht und dadurch die angeschlossene Scheibe zum gemeinsamen Vibrieren antreibt.

Zwischen den Rotorblättern der Mehrrotorturbine bestehen komplexe Interferenzkräfte, die sich auf die Vibration des Scheiben- und Plattensystems auswirken.

Plattenkopplungsschwingung. Die Plattenrandkopplungsschwingung hängt mit den inhärenten Schwingungseigenschaften des Plattensystems zusammen. Wenn die Erregerkraft auf das Plattensystem nahe an einer bestimmten Größenordnung der dynamischen Frequenz des Systems liegt, schwingt das System und erzeugt Schwingungsspannungen.

6.Montagespannungen an der Verbindung zwischen Scheibe und Welle

Die Presspassung zwischen Scheibe und Welle erzeugt Montagespannungen auf der Scheibe. Die Stärke der Montagespannung hängt von der Presspassung, der Größe und dem Material der Scheibe und der Welle ab und steht in Zusammenhang mit anderen Belastungen der Scheibe. Beispielsweise vergrößert das Vorhandensein von Zentrifugallast und Temperaturspannungen das Mittelloch der Scheibe, verringert die Pressung und reduziert somit die Montagespannung.

Unter den oben genannten Belastungen sind Massenzentrifugalkraft und thermische Belastung die Hauptkomponenten. Bei der Berechnung der Festigkeit sollten folgende Kombinationen aus Drehzahl und Temperatur berücksichtigt werden:

Die Geschwindigkeit jedes im Flugbereich angegebenen Festigkeitsberechnungspunkts und das Temperaturfeld am entsprechenden Punkt;

Das stationäre Temperaturfeld am Punkt der maximalen Wärmebelastung oder der maximalen Temperaturdifferenz im Flug und der maximal zulässigen stationären Betriebsgeschwindigkeit oder das entsprechende stationäre Temperaturfeld, wenn die maximal zulässige stationäre Betriebsgeschwindigkeit im Flug erreicht wird.

Der Start stellt für die meisten Triebwerke häufig den schlimmsten Belastungszustand dar. Daher muss die Kombination aus dem vorübergehenden Temperaturfeld während des Starts (wenn der maximale Temperaturunterschied erreicht wird) und der maximalen Betriebsdrehzahl während des Starts berücksichtigt werden.