Caractéristiques de charge et état de calcul des disques de compresseur et de turbine des moteurs d'avion

Caractéristiques de charge et état de calcul des disques de compresseur et de turbine des moteurs d'avion

Bien qu'il existe des différences dans les fonctions et les structures des rotors de compresseur et de turbine, en termes de résistance, les conditions de travail des roues des deux sont à peu près les mêmes. Cependant, le disque de turbine est à une température plus élevée, ce qui signifie que l'environnement de travail du disque de turbine est plus rude.

Les charges supportées par le disque du compresseur ou le disque de turbine d'un moteur d'avion sont les suivantes :

1. Force centrifuge de masse

La roue doit résister à la force centrifuge des pales et de la roue elle-même provoquée par la rotation du rotor. Les conditions de vitesse suivantes doivent être prises en compte dans le calcul de la résistance :

Vitesse de fonctionnement en régime permanent au point de calcul de résistance spécifié dans l'enveloppe de vol ;

Vitesse de fonctionnement maximale autorisée en régime permanent spécifiée dans la spécification du modèle ;

115 % et 122 % de la vitesse de fonctionnement maximale autorisée en régime permanent.

Les lames, les verrous, les déflecteurs, les boulons, les écrous et les vis installés sur le disque sont tous situés sur le bord du disque de roue. Habituellement, le bord extérieur du disque de roue se trouve au fond de la rainure. En supposant que ces charges soient uniformément réparties sur la surface du bord extérieur du disque de roue, la charge uniforme est :

Où F est la somme de toutes les charges externes, R est le rayon du cercle extérieur de la roue et H est la largeur axiale du bord extérieur de la roue.

Lorsque le fond de la rainure à tenon et mortaise est parallèle à l'axe de rotation du disque de roue, le rayon du bord extérieur est considéré comme le rayon de la position où se trouve le fond de la rainure ; lorsque le fond de la rainure à tenon et mortaise présente un angle d'inclinaison dans la direction radiale avec l'axe de rotation du disque de roue, le rayon du bord extérieur est considéré approximativement comme la valeur moyenne des rayons du fond de la rainure des bords avant et arrière.

2. Charge thermique

Le disque de roue doit supporter la charge thermique causée par un chauffage inégal. Pour le disque de compresseur, la charge thermique peut généralement être ignorée. Cependant, avec l'augmentation du rapport de pression total du moteur et de la vitesse de vol, le flux d'air de sortie du compresseur a atteint une température très élevée. Par conséquent, la charge thermique des disques avant et après le compresseur n'est parfois pas négligeable. Pour le disque de turbine, la contrainte thermique est le facteur d'influence le plus important après la force centrifuge. Les types de champs de température suivants doivent être pris en compte lors du calcul :

Champ de température à l'état stable pour chaque calcul de résistance spécifié dans l'enveloppe de vol ;

Champ de température à l'état stable dans un cycle de vol typique ;

Champ de température de transition dans un cycle de vol typique.

Lors de l'estimation, si les données d'origine ne peuvent pas être entièrement fournies et qu'il n'existe aucune température mesurée à titre de référence, les paramètres de flux d'air dans l'état de conception et l'état de charge thermique le plus élevé peuvent être utilisés pour l'estimation. La formule empirique pour estimer le champ de température sur le disque est la suivante :

Dans la formule, T est la température au rayon requis, T0 est la température au trou central du disque, Tb est la température au bord du disque, R est un rayon arbitraire sur le disque et les indices 0 et b correspondent respectivement au trou central et au bord.

m=2 correspond à l’alliage de titane et à l’acier ferritique sans refroidissement forcé ;

m=4 correspond à un alliage à base de nickel avec refroidissement forcé.

• Pour disque de compresseur haute pression

Champ de température à l'état stable :

Lorsqu'il n'y a pas de flux d'air de refroidissement, on peut considérer qu'il n'y a pas de différence de température ;

Lorsqu'il y a un flux d'air de refroidissement, Tb peut être approximativement considéré comme la température de sortie du flux d'air à chaque niveau du canal + 15℃, et T0 peut être approximativement considéré comme la température de sortie du flux d'air au niveau du flux d'air de refroidissement par extraction + 15℃.

Champ de température transitoire :

Tb peut être considérée approximativement comme la température de sortie de chaque niveau de flux d’air du canal ;

T0 peut être considéré approximativement comme 50 % de la température de la jante lorsqu'il n'y a pas de flux d'air de refroidissement ; lorsqu'il y a un flux d'air de refroidissement, il peut être considéré approximativement comme la température de sortie de l'étage d'extraction du flux d'air de refroidissement.

• Pour disque de turbine

Champ de température à l'état stable :

Tb0 est la température transversale de la racine de la pale ; △T est la chute de température du tenon, qui peut être prise approximativement comme suit : △T=50-100℃ lorsque le tenon n'est pas refroidi ; △T=250-300℃ lorsque le tenon est refroidi.

Champ de température transitoire :

Le disque avec les lames de refroidissement peut être approximé comme suit : gradient de température transitoire = 1.75 × gradient de température à l'état stationnaire;

Le disque sans pales de refroidissement peut être approximé comme suit : gradient de température transitoire = 1.3 × gradient de température à l'état stationnaire.

3. Force du gaz (force axiale et circonférentielle) transmise par les pales et pression du gaz sur les extrémités avant et arrière de la roue

• Force du gaz transmise par les pales

Pour les aubes de compresseur, la composante de force du gaz agissant sur la hauteur de l'aube unitaire est :

Axial:

Où Zm et Q sont le rayon moyen et le nombre de pales ; ρ1m et ρ2m sont la densité du flux d'air aux sections d'entrée et de sortie ; C1am et C2am sont la vitesse axiale du flux d'air au rayon moyen des sections d'entrée et de sortie ; p1m et p2m sont la pression statique du flux d'air au rayon moyen des sections d'entrée et de sortie.

Direction circonférentielle :

• Pour les aubes de turbine

La direction de la force exercée sur le gaz diffère des deux formules ci-dessus par un signe négatif. Il existe généralement une certaine pression dans la cavité entre la roue à deux étages (en particulier la roue du compresseur). Si la pression dans les espaces adjacents est différente, une différence de pression sera provoquée sur la roue entre les deux cavités, △p=p1-p2. Généralement, △p a peu d'effet sur la résistance statique de la roue, surtout lorsqu'il y a un trou dans le rayon de la roue, △p peut être ignoré.

4.Couple gyroscopique généré pendant le vol de manœuvre

Pour les disques de ventilateur de grand diamètre avec pales de ventilateur, l'effet des moments gyroscopiques sur la contrainte de flexion et la déformation du disque doit être pris en compte.

5.Charges dynamiques générées par les vibrations de la lame et du disque

La contrainte vibratoire générée dans le disque lorsque les pales et les disques vibrent doit être superposée à la contrainte statique. Les charges dynamiques générales sont les suivantes :

Force périodique non uniforme du gaz sur les pales. En raison de la présence du support et de la chambre de combustion séparée dans le canal d'écoulement, le flux d'air est irrégulier le long de la circonférence, ce qui produit une force d'excitation périodique non équilibrée du gaz sur les pales. La fréquence de cette force d'excitation est : Hf = ωm. Parmi eux, ω est la vitesse du rotor du moteur et m est le nombre de supports ou de chambres de combustion.

La pression périodique non uniforme du gaz sur la surface du disque.

La force d'excitation est transmise au disque par l'intermédiaire de l'arbre, de la bague de liaison ou d'autres pièces qui y sont reliées. Cela est dû au déséquilibre du système d'arbre, qui provoque la vibration de l'ensemble de la machine ou du système de rotor, ce qui entraîne la vibration du disque connecté.

Il existe des forces d'interférence complexes entre les pales de la turbine multirotor, qui affecteront la vibration du système de disque et de plaque.

Vibration de couplage du disque. La vibration de couplage du bord du disque est liée aux caractéristiques vibratoires inhérentes au système de disque. Lorsque la force d'excitation exercée sur le système de disque est proche d'un certain ordre de fréquence dynamique du système, le système entre en résonance et génère une contrainte vibratoire.

6.Contrainte d'assemblage au niveau de la liaison entre le disque et l'arbre

L'ajustement serré entre le disque et l'arbre génère une contrainte d'assemblage sur le disque. L'ampleur de la contrainte d'assemblage dépend de l'ajustement serré, de la taille et du matériau du disque et de l'arbre, et est liée à d'autres charges sur le disque. Par exemple, l'existence d'une charge centrifuge et d'une contrainte thermique agrandira le trou central du disque, réduira l'interférence et réduira ainsi la contrainte d'assemblage.

Parmi les charges mentionnées ci-dessus, la force centrifuge de masse et la charge thermique sont les principales composantes. Lors du calcul de la résistance, les combinaisons suivantes de vitesse de rotation et de température doivent être prises en compte :

La vitesse de chaque point de calcul de résistance spécifié dans l'enveloppe de vol et le champ de température au point correspondant ;

Le champ de température à l'état stationnaire au point de charge thermique maximale ou la différence de température maximale en vol et la vitesse de fonctionnement à l'état stationnaire maximale autorisée, ou le champ de température à l'état stationnaire correspondant lorsque la vitesse de fonctionnement à l'état stationnaire maximale autorisée est atteinte en vol.

Pour la plupart des moteurs, le décollage est souvent l'état de contrainte le plus grave, c'est pourquoi la combinaison du champ de température transitoire pendant le décollage (lorsque la différence de température maximale est atteinte) et de la vitesse de fonctionnement maximale pendant le décollage doit être prise en compte.