Lastcharakteristiken und Berechnungsstatus der Verdichter- und Turbinenscheiben von Flugzeugmotoren

Lastcharakteristiken und Berechnungsstatus der Verdichter- und Turbinenscheiben von Flugzeugmotoren

Obwohl es Unterschiede in den Funktionen und Strukturen von Verdichter- und Turbinenrotoren gibt, sind die Arbeitsbedingungen der Räder beider im Hinblick auf Festigkeit ungefähr gleich. Allerdings ist die Turbinenscheibe bei einer höheren Temperatur, was bedeutet, dass das Arbeitsumfeld der Turbinenscheibe härter ist.

Die Belastungen, die von der Verdichterscheibe oder der Turbinenscheibe eines Flugtriebwerks getragen werden, sind folgende:

1. Massenzentrifugalkraft

Das Rad muss die Zentrifugalkraft der Schaufeln und des Rades selbst aushalten, die durch die Rotation des Rotors verursacht wird. Die folgenden Geschwindigkeitsbedingungen sollten bei der Festigkeitsberechnung berücksichtigt werden:

Stationsärer Betriebsgeschwindigkeit am im Flugbereich spezifizierten Festigkeitsberechnungspunkt;

Maximal zulässige stationsäre Betriebsgeschwindigkeit, wie im Typenhandbuch spezifiziert;

115 % und 122 % der maximal zulässigen stationsären Betriebsgeschwindigkeit.

Die Schaufeln, Verschlüsse, Dämpfer, Bolzen, Muttern und Schrauben, die auf dem Rad montiert sind, befinden sich alle am Rand der Radscheibe. Normalerweise ist der äußere Rand der Radscheibe am Grund des Fasses. Angenommen, diese Lasten sind gleichmäßig über die Oberfläche des äußeren Randes der Radscheibe verteilt, so beträgt die gleichmäßige Belastung:

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

Wenn der Boden des Zapfenfasses parallel zur Rotationsachse der Radscheibe ist, wird der äußere Randradius als Radius der Position des Grunds des Fasses genommen; wenn der Boden des Zapfenfasses einen Neigungswinkel in radialem Richtung zur Rotationsachse der Radscheibe hat, wird der äußere Randradius ungefähr als Durchschnittswert der Vorder- und Rückseite des Fassgrundradius angenommen.

2. Thermische Belastung

Die Radplatte muss die durch ungleichmäßiges Erhitzen verursachte thermische Belastung tragen. Bei der Verdichterplatte kann die thermische Belastung im Allgemeinen vernachlässigt werden. Mit dem Anstieg des Gesamtdruckverhältnisses des Motors und der Fluggeschwindigkeit hat sich jedoch die Ausgangstemperatur des Verdichters auf eine sehr hohe Temperatur erhöht. Daher ist die thermische Belastung der Platten vor und nach dem Verdichter manchmal nicht zu vernachlässigen. Bei der Turbinenplatte ist der thermische Spannung der wichtigste einflussreiche Faktor nach der Zentrifugalkraft. Die folgenden Arten von Temperaturfeldern sollten bei der Berechnung berücksichtigt werden:

Stationäres Temperaturfeld für jede in der Flugumhüllung vorgesehene Festigkeitsberechnung;

Stationäres Temperaturfeld in einem typischen Flugzyklus;

Übergangstemperaturfeld in einem typischen Flugzyklus.

Beim Schätzen kann, wenn die ursprünglichen Daten nicht vollständig bereitgestellt werden können und keine gemessene Temperatur als Referenz vorliegt, für die Schätzung die Luftflussparameter im Designzustand und im Zustand der höchsten Wärmelast verwendet werden. Die empirische Formel zur Schätzung des Temperaturfeldes auf dem Rad lautet:

In der Formel ist T die Temperatur am gewünschten Radius, T0 die Temperatur im Mittelloch des Rades, Tb die Temperatur am Rand des Rades, R ein beliebiger Radius auf dem Rad, und die Indices 0 und b entsprechen jeweils dem Mittelloch und dem Rand.

m=2 entspricht Titanlegierungen und ferritischen Stählen ohne erzwungenes Kühlungsluftfluss;

m=4 entspricht nickelbasierten Legierungen mit erzwungenem Kühlungsluftfluss.

• Für Hochdruckverdichterrad

Stationäres Temperaturfeld:

Wenn kein Kühlungsluftfluss vorhanden ist, kann angenommen werden, dass keine Temperaturdifferenz besteht;

Bei einer Kühl-Luftströmung kann Tb ungefähr als die Ausgangstemperatur der Luftströmung auf jeder Stufe des Kanals + 15 angenommen werden ℃ und T0 kann ungefähr als die Ausgangstemperatur der Luftströmung auf der Kühlstufe + 15 angenommen werden ℃ .

Transientes Temperaturfeld:

Tb kann ungefähr als die Ausgangstemperatur der Luftströmung auf jeder Stufe des Kanals angenommen werden;

T0 kann bei fehlender Kühl-Luftströmung ungefähr als 50 % der Felgentemperatur angenommen werden; bei einer Kühl-Luftströmung kann es ungefähr als die Ausgangstemperatur der Kühl-Luftextraktionsstufe angenommen werden.

• Für den Turbinenscheiben

Stationäres Temperaturfeld:

Ist Tb0 die Querschnittstemperatur des Schaftfußes; △ T ist der Temperaturabfall des Zapfens, der ungefähr wie folgt angenommen werden kann: △ T=50-100 ℃ wenn der Zapfen nicht gekühlt wird; △ T=250-300 ℃ wenn das Zapfenstück abgekühlt wird.

Transientes Temperaturfeld:

Die Scheibe mit Kühlblättern kann wie folgt angenähert werden: zeitabhängiger Temperaturgradient = 1,75 × stationärer Temperaturgradient;

Die Scheibe ohne Kühlblätter kann wie folgt angenähert werden: zeitabhängiger Temperaturgradient = 1,3 × stationärer Temperaturgradient.

3. Gaskräfte (axiale und umfangsweise Kraft), übertragen durch die Blätter und Gasdruck an den vorderen und hinteren Enden der Schaufelrads

• Durch die Blätter übertragene Gaskraft

Bei Verdichterblättern beträgt die auf die Einheit der Blatt Höhe wirkende Gaskräftekomponente:

Axial:

Wo Zm und Q der durchschnittliche Radius und die Anzahl der Blätter sind; ρ 1m und ρ 2m die Dichte des Luftflusses an den Ein- und Ausgangssektionen; C1am und C2am sind die axiale Geschwindigkeit des Luftflusses am durchschnittlichen Radius der Ein- und Ausgangssektionen; p1m und p2m sind der statische Druck des Luftflusses am durchschnittlichen Radius der Ein- und Ausgangssektionen.

Umfangsrichtung:

• Für Turbinenblätter

Die Richtung der Gaskräfte auf das Gas unterscheidet sich von den beiden obigen Formeln durch ein negatives Vorzeichen. Es gibt normalerweise einen bestimmten Druck in der Hohlraum zwischen den zweistufigen Radialventilatoren (insbesondere beim Kompressorgebläse). Wenn der Druck in den benachbarten Räumen unterschiedlich ist, entsteht ein Druckunterschied zwischen den beiden Kavitäten auf dem Radialventilator, △ p=p1-p2. Im Allgemeinen, △ hat p nur einen geringen Einfluss auf die statische Stärke des Radialventilators, insbesondere wenn es ein Loch im Speichenbereich des Radialventilators gibt, △ kann p vernachlässigt werden.

4.Durch Manövrierflug erzeugtes Gyroskopische Drehmoment

Bei großen Durchmesser-Fandiscs mit Fanklingen sollte der Einfluss von Gyroskop-Momenten auf die Biegespannung und die Verformung des Discs berücksichtigt werden.

5.Dynamische Belastungen, die durch Schwingungen von Klingen und Scheibe verursacht werden

Die bei den Schwingungen der Klingen und Scheiben im Diskus entstehenden Spannungen sollten mit den statischen Spannungen überlagert werden. Die allgemeinen dynamischen Belastungen sind:

Die periodische ungleichmäßige Gaswirkung auf die Klingen. Aufgrund der Anwesenheit des Gestells und getrennter Brennkammern im Strömungskanal ist die Luftströmung um die Umfangslinie ungleichmäßig, was eine periodische unbalancierte Gasanregungskraft auf die Klingen verursacht. Die Frequenz dieser Anregungskraft ist: Hf = ω m. Davon ist ω die Geschwindigkeit des Motorrotors und m ist die Anzahl der Gestelle oder Brennkammern.

Die periodische ungleichmäßige Gasdruckbelastung auf der Scheibenoberfläche.

Die aufregende Kraft, die über die verbundene Welle, den Verbindungsring oder andere Teile auf die Scheibe übertragen wird. Dies liegt an der Unausgewogenheit des Wellensystems, die die Vibration der gesamten Maschine oder des Rotor-Systems verursacht und dadurch die verbundene Scheibe zum gemeinsamen Vibrieren bringt.

Es gibt komplexe Störkräfte zwischen den Flügeln des Mehrrotor-Turbinensystems, die die Vibration des Scheiben- und Platten-Systems beeinflussen werden.

Scheibenverkoppelungsvibration. Die am Scheibenrand auftretende verkoppelte Vibration hängt mit den eigenen Schwingungseigenschaften des Scheibensystems zusammen. Wenn die Aufregungskraft im Scheibensystem nahe bei einer bestimmten Ordnung der dynamischen Frequenz des Systems liegt, wird das System resonieren und Schwingungsbelastungen erzeugen.

6.Verspannung beim Zusammenbau zwischen der Scheibe und der Welle

Der Überschneidungssitz zwischen dem Rad und der Welle erzeugt eine Montagespannung im Rad. Die Größe der Montagespannung hängt von dem Überschneidungssitz, der Größe und dem Material des Rades und der Welle ab und ist mit anderen Lasten auf dem Rad verknüpft. Zum Beispiel wird die Existenz von Zentrifugalkraft und Temperaturspannung das Mittelloch des Rades erweitern, den Überschneidungssitz verringern und somit die Montagespannung reduzieren.

Unter den oben genannten Lasten sind Massenzentrifugalkraft und thermische Belastung die Hauptkomponenten. Beim Berechnen der Festigkeit sollten folgende Kombinationen aus Drehzahl und Temperatur berücksichtigt werden:

Die Geschwindigkeit jedes in der Flugumhüllung festgelegten Festigkeitsberechnungspunkts und das Temperaturfeld am entsprechenden Punkt;

Das Gleichgewichtstemperaturfeld bei dem Punkt der maximalen Wärmelast oder die maximale Temperaturspanne im Flug und die maximale zulässige Gleichgewichtsbetriebsgeschwindigkeit, oder das entsprechende Gleichgewichtstemperaturfeld, wenn die maximale zulässige Gleichgewichtsbetriebsgeschwindigkeit im Flug erreicht wird.

Bei den meisten Motoren ist der Start oft der schlimmste Spannungszustand, daher sollte die Kombination des Übergangstemperaturfeldes beim Start (wenn die maximale Temperaturspanne erreicht wird) und der maximalen Betriebsgeschwindigkeit beim Start berücksichtigt werden.