Lennukimootorite kompressorite ja turbiinide ketaste koormuskarakteristikud ja arvutuslik olek

Lennukimootorite kompressorite ja turbiinide ketaste koormuskarakteristikud ja arvutuslik olek

Kuigi kompressori ja turbiini rootorite funktsioonides ja ülesehituses on erinevusi, on tugevuse osas nende kahe rataste töötingimused ligikaudu samad. Turbiiniketas on aga kõrgemal temperatuuril, mis tähendab, et turbiiniketta töökeskkond on karmim.

Õhusõiduki mootori kompressorikettale või turbiinkettale kantavad koormused on järgmised:

1. Massiline tsentrifugaaljõud

Tööratas peab vastu pidama labade ja tiiviku enda tsentrifugaaljõule, mis on põhjustatud rootori pöörlemisest. Tugevuse arvutamisel tuleks arvesse võtta järgmisi kiirustingimusi:

Püsiseisundi töökiirus tugevuse arvutamise punktis, mis on määratud lennu ümmarguse piires;

Mudeli spetsifikatsioonis määratud maksimaalne lubatud püsiseisundi töökiirus;

115% ja 122% maksimaalsest lubatud püsiseisundi töökiirusest.

Plaadile paigaldatud terad, lukud, deflektorid, poldid, mutrid ja kruvid asuvad kõik rattaketta servas. Tavaliselt on rattaketta välisserv soone allosas. Eeldades, et need koormused jaotuvad ühtlaselt rattaketta välisserva pinnale, on ühtlane koormus:

Kus F on kõigi väliskoormuste summa, R on ratta välisringi raadius ja H on ratta välisserva teljesuunaline laius.

Kui soone ja tapi soone põhi on paralleelne rattaketta pöörlemisteljega, võetakse välisserva raadius soone põhja asukoha raadiuseks; kui tapi- ja tapisoone põhjas on radiaalsuunas kaldenurk rattaketta pöörlemisteljega, võetakse välisserva raadius ligikaudu eesmise ja tagumise serva soone põhjaraadiuse keskmiseks väärtuseks.

2. Termiline koormus

Rattaketas peab taluma ebaühtlasest kuumenemisest tingitud termilist koormust. Kompressori ketta puhul võib termilist koormust üldiselt ignoreerida. Mootori kogurõhusuhte ja lennukiiruse tõusuga on aga kompressori väljalaskeõhuvool saavutanud väga kõrge temperatuuri. Seetõttu ei ole ketaste soojuskoormus enne ja pärast kompressorit mõnikord tühine. Turbiiniketta puhul on termiline pinge kõige olulisem mõjutegur pärast tsentrifugaaljõudu. Arvutamisel tuleks arvesse võtta järgmist tüüpi temperatuurivälju:

Püsiseisundi temperatuuriväli iga lennu ümbrikus määratud tugevusarvutuse jaoks;

Püsiseisundi temperatuuriväli tüüpilises lennutsüklis;

Üleminekutemperatuuri väli tüüpilises lennutsüklis.

Kui esialgseid andmeid ei saa täielikult esitada ja võrdluseks pole mõõdetud temperatuuri, võib hinnangu andmisel kasutada õhuvoolu parameetreid vastavalt projekteerimisolekule ja suurimale soojuskoormuse olekule. Ketta temperatuurivälja hindamise empiiriline valem on järgmine:

Valemis on T temperatuur vajaliku raadiuse juures, T0 on temperatuur ketta keskava juures, Tb on temperatuur ketta serval, R on suvaline raadius kettal ning alamindeksid 0 ja b vastavad vastavalt keskmisele augule ja veljele.

m=2 vastab titaanisulamile ja ferriitsele terasele ilma sundjahutuseta;

m=4 vastab sundjahutusega niklipõhisele sulamile.

• Kõrgsurvekompressori kettale

Püsiseisundi temperatuuriväli:

Kui jahutusõhuvool puudub, võib lugeda, et temperatuuride erinevus puudub;

Jahutusõhuvoolu korral võib Tb ligikaudu võtta õhuvoolu väljundtemperatuuriks kanali igal tasandil + 15℃, ja T0 võib ligikaudu võtta õhuvoolu väljalasketemperatuurina väljatõmbe jahutusõhuvoolu tasemel + 15℃.

Mööduv temperatuuriväli:

Tb võib ligikaudu võtta kanali õhuvoolu iga taseme väljalasketemperatuurina;

T0 võib võtta ligikaudu 50% rattavelje temperatuurist, kui jahutusõhuvool puudub; jahutusõhuvoolu korral võib seda võtta ligikaudu jahutusõhuvoolu väljatõmbeetapi väljalasketemperatuurina.

• Turbiiniketta jaoks

Püsiseisundi temperatuuriväli:

Tb0 on tera juure ristlõike temperatuur; △T on tihvti temperatuuri langus, mida võib võtta ligikaudu järgmiselt: △T = 50-100℃ kui tihvti ei jahutata; △T = 250-300℃ kui tihvt on jahtunud.

Mööduv temperatuuriväli:

Jahutuslabadega ketast saab ligikaudselt hinnata järgmiselt: mööduv temperatuurigradient = 1.75 × püsiseisundi temperatuurigradient;

Ilma jahutuslabadeta ketast saab ligikaudselt hinnata järgmiselt: mööduv temperatuurigradient = 1.3 × püsiseisundi temperatuurigradient.

3. labade poolt edastatav gaasijõud (telg- ja ümbermõõtjõud) ning gaasirõhk tiiviku esi- ja tagaotstele

• Teradelt edastatav gaasijõud

Kompressori labade puhul on seadme labade kõrgusele mõjuv gaasijõu komponent:

Aksiaalne:

kus Zm ja Q on labade keskmine raadius ja arv; ρ1 m ja ρ2 m on õhuvoolu tihedus sisse- ja väljalaskeavade sektsioonides; C1am ja C2am on õhuvoolu telgkiirus sisend- ja väljalaskeavade keskmise raadiuse juures; p1m ja p2m on õhuvoolu staatiline rõhk sisse- ja väljalaskeavade keskmise raadiuse juures.

Ümbermõõdu suund:

• Turbiini labadele

Gaasi jõu suund gaasile erineb kahest ülaltoodud valemist negatiivse märgiga. Kaheastmelise tiiviku (eriti kompressori tiiviku) vahelises õõnsuses on üldiselt teatud rõhk. Kui rõhk külgnevates ruumides on erinev, tekib tiivikul kahe õõnsuse vahel rõhuerinevus, △p=p1-p2. Üldiselt △p mõjutab tiiviku staatilist tugevust vähe, eriti kui tiiviku kodaras on auk, △p võib ignoreerida.

4.Manööverlennu ajal tekkiv güroskoopiline pöördemoment

Suure läbimõõduga ventilaatorilabadega ventilaatoriketaste puhul tuleks arvestada güroskoopiliste momentide mõju ketta paindepingele ja deformatsioonile.

5.Tera ja ketta vibratsioonist tekkivad dünaamilised koormused

Terade ja ketaste vibreerimisel kettas tekkiv vibratsioonipinge tuleb katta staatilise pingega. Üldised dünaamilised koormused on järgmised:

Perioodiline ebaühtlane gaasijõud labadele. Tänu konsooli ja eraldi põlemiskambri olemasolule voolukanalis on õhuvool piki ümbermõõtu ebaühtlane, mis tekitab labadele perioodilise tasakaalustamata gaasi ergutava jõu. Selle erutava jõu sagedus on: Hf = ωm. Nende hulgas ω on mootori rootori kiirus ja m on sulgude või põlemiskambrite arv.

Perioodiline ebaühtlane gaasirõhk ketta pinnal.

Põnev jõud, mis edastatakse kettale ühendatud võlli, ühendusrõnga või muude osade kaudu. Selle põhjuseks on võllisüsteemi tasakaalustamatus, mis põhjustab kogu masina või rootorisüsteemi vibratsiooni, pannes sellega ühendatud ketta koos vibreerima.

Mitme rootoriga turbiini labade vahel on keerulised häirejõud, mis mõjutavad ketta ja plaadisüsteemi vibratsiooni.

Ketta siduri vibratsioon. Ketta serva sidestusvibratsioon on seotud kettasüsteemile omaste vibratsiooniomadustega. Kui kettasüsteemile mõjuv põnev jõud on süsteemi dünaamilise sageduse teatud järjekorra lähedal, hakkab süsteem resoneerima ja tekitab vibratsioonipinget.

6.Koostepinge ketta ja võlli vahelisel ühendusel

Ketta ja võlli vaheline interferents tekitab kettale koostepinge. Koostepinge suurus sõltub interferentsi sobivusest, ketta ja võlli suurusest ja materjalist ning on seotud muude ketta koormustega. Näiteks tsentrifugaalkoormuse ja temperatuuripinge olemasolu suurendab ketta keskmist auku, vähendab häireid ja vähendab seega kokkupaneku pinget.

Eespool nimetatud koormustest on peamised komponendid massi tsentrifugaaljõud ja termiline koormus. Tugevuse arvutamisel tuleks arvesse võtta järgmisi pöörlemiskiiruse ja temperatuuri kombinatsioone:

Iga lennu ümbrikus määratud tugevusarvutuspunkti kiirus ja temperatuuriväli vastavas punktis;

Püsiseisundi temperatuuriväli maksimaalse soojuskoormuse punktis või maksimaalne temperatuuride erinevus lennu ajal ja maksimaalne lubatud püsiseisundi töökiirus või vastav püsiseisundi temperatuuriväli, kui lennul saavutatakse maksimaalne lubatud püsiseisundi töökiirus.

Enamiku mootorite puhul on õhkutõus sageli kõige halvem pingeseisund, seega tuleks arvestada õhkutõusmise ajal toimuva mööduva temperatuurivälja (kui saavutatakse maksimaalne temperatuuride vahe) ja maksimaalse töökiiruse kombinatsiooni stardi ajal.