Karakteristike opterećenja i stanje proračuna diskova kompresora i turbina zrakoplovnih motora

Karakteristike opterećenja i stanje proračuna diskova kompresora i turbina zrakoplovnih motora

Iako postoje razlike u funkcijama i strukturi rotora kompresora i turbine, u smislu čvrstoće, radni uvjeti kotača ta dva su približno isti. Međutim, disk turbine je na višoj temperaturi, što znači da je radna okolina diska turbine oštrija.

Opterećenja diska kompresora ili turbine motora zrakoplova su sljedeća:

1. Masa centrifugalne sile

Rotor mora izdržati centrifugalnu silu lopatica i samog rotora uzrokovanu rotacijom rotora. U proračunu čvrstoće treba uzeti u obzir sljedeće uvjete brzine:

Radna brzina u stacionarnom stanju na točki proračuna čvrstoće navedenoj unutar anvelope leta;

Najveća dopuštena radna brzina u stabilnom stanju navedena u specifikaciji modela;

115% i 122% najveće dopuštene stacionarne brzine rada.

Noževi, brave, pregrade, vijci, matice i vijci ugrađeni na disk nalaze se na rubu diska kotača. Obično je vanjski rub diska kotača na dnu utora. Pod pretpostavkom da su ova opterećenja ravnomjerno raspoređena na površini vanjskog ruba diska kotača, jednoliko opterećenje je:

Gdje je F zbroj svih vanjskih opterećenja, R je radijus vanjskog kruga kotača, a H je aksijalna širina vanjskog ruba kotača.

Kada je dno utora i utora za klin paralelno s osi rotacije diska kotača, polumjer vanjskog ruba uzima se kao polumjer položaja u kojem se nalazi dno utora; kada dno utora i žlijeba ima kut nagiba u radijalnom smjeru s osi rotacije diska kotača, radijus vanjskog ruba približno se uzima kao prosječna vrijednost polumjera dna utora prednjeg i stražnjeg ruba.

2. Toplinsko opterećenje

Disk kotača mora podnijeti toplinsko opterećenje uzrokovano neravnomjernim zagrijavanjem. Za disk kompresora toplinsko opterećenje općenito se može zanemariti. Međutim, s povećanjem omjera ukupnog tlaka motora i brzine leta, protok zraka na izlazu iz kompresora dosegnuo je vrlo visoku temperaturu. Stoga toplinsko opterećenje diskova prije i poslije kompresora ponekad nije zanemarivo. Za disk turbine, toplinsko naprezanje je najvažniji utjecajni faktor nakon centrifugalne sile. Tijekom proračuna treba uzeti u obzir sljedeće vrste temperaturnih polja:

Stacionarno temperaturno polje za svaki proračun čvrstoće naveden u ovojnici leta;

Stacionarno temperaturno polje u tipičnom ciklusu leta;

Prijelazno temperaturno polje u tipičnom ciklusu leta.

Prilikom procjene, ako se izvorni podaci ne mogu u potpunosti osigurati i nema izmjerene temperature za referencu, za procjenu se mogu koristiti parametri protoka zraka u projektnom stanju i stanje najvećeg toplinskog opterećenja. Empirijska formula za procjenu temperaturnog polja na disku je:

U formuli, T je temperatura na traženom polumjeru, T0 je temperatura na središnjem otvoru diska, Tb je temperatura na rubu diska, R je proizvoljni radijus na disku, a indeksi 0 i b odgovaraju središnjem otvoru i rubu, redom.

m=2 odgovara leguri titana i feritnom čeliku bez prisilnog hlađenja;

m=4 odgovara leguri na bazi nikla s prisilnim hlađenjem.

• Za disk kompresora visokog pritiska

Stacionarno temperaturno polje:

Kada nema strujanja rashladnog zraka, može se smatrati da nema temperaturne razlike;

Kada postoji protok zraka za hlađenje, Tb se može približno uzeti kao izlazna temperatura protoka zraka na svakoj razini kanala + 15℃, a T0 se može približno uzeti kao izlazna temperatura protoka zraka na razini protoka zraka za hlađenje ekstrakcije + 15℃.

Prijelazno temperaturno polje:

Tb se približno može uzeti kao izlazna temperatura svake razine strujanja zraka u kanalu;

T0 se približno može uzeti kao 50% temperature naplatka kotača kada nema protoka zraka za hlađenje; kada postoji strujanje zraka za hlađenje, to se približno može uzeti kao izlazna temperatura stupnja ekstrakcije protoka rashladnog zraka.

• Za turbinski disk

Stacionarno temperaturno polje:

Tb0 je temperatura poprečnog presjeka korijena lopatice; △T je pad temperature klina, koji se približno može uzeti na sljedeći način: △T=50-100℃ kada klin nije ohlađen; △T=250-300℃ kad se klin ohladi.

Prijelazno temperaturno polje:

Disk s rashladnim lopaticama može se aproksimirati na sljedeći način: prijelazni temperaturni gradijent = 1.75 × postojani temperaturni gradijent;

Disk bez rashladnih lopatica može se aproksimirati na sljedeći način: prijelazni temperaturni gradijent = 1.3 × steady-state temperaturni gradijent.

3. Sila plina (aksijalna i obodna sila) koju prenose lopatice i tlak plina na prednji i stražnji kraj rotora

• Sila plina koja se prenosi s lopatica

Za lopatice kompresora, komponenta plinske sile koja djeluje na visinu lopatica jedinice je:

Aksijalno:

Gdje su Zm i Q prosječni radijus i broj lopatica; ρ1 m i ρ2m su gustoća strujanja zraka na ulaznom i izlaznom dijelu; C1am i C2am su aksijalna brzina strujanja zraka na prosječnom polumjeru ulaznog i izlaznog dijela; p1m i p2m su statički tlak strujanja zraka na prosječnom polumjeru ulaznog i izlaznog dijela.

Obodni smjer:

• Za turbinske lopatice

Smjer plinske sile na plin razlikuje se od dvije gornje formule s negativnim predznakom. Općenito postoji određeni tlak u šupljini između dvostupanjskog rotora (osobito rotora kompresora). Ako je tlak u susjednim prostorima različit, doći će do razlike tlaka na impeleru između dviju šupljina, △p=p1-p2. općenito, △p ima mali učinak na statičku čvrstoću rotora, posebno kada postoji rupa u žbici rotora, △p se može zanemariti.

4.Žiroskopski moment generiran tijekom manevarskog leta

Za diskove ventilatora velikog promjera s lopaticama ventilatora treba uzeti u obzir učinak žiroskopskih momenata na naprezanje savijanja i deformaciju diska.

5.Dinamička opterećenja uzrokovana vibracijama oštrice i diska

Vibracijsko naprezanje koje nastaje u disku kada lopatice i diskovi vibriraju treba se superponirati sa statičkim naprezanjem. Opća dinamička opterećenja su:

Periodična nejednolika plinska sila na lopatice. Zbog prisutnosti nosača i odvojene komore za izgaranje u kanalu protoka, strujanje zraka je neravnomjerno duž oboda, što proizvodi periodičku neuravnoteženu silu pobude plina na lopaticama. Frekvencija te pobudne sile je: Hf = ωm. Među njima, ω je brzina rotora motora, a m je broj nosača ili komora za izgaranje.

Periodički nejednolik tlak plina na površini diska.

Uzbudna sila prenosi se na disk preko spojene osovine, spojnog prstena ili drugih dijelova. To je zbog neuravnoteženosti sustava osovine, što uzrokuje vibracije cijelog stroja ili sustava rotora, tjerajući tako povezane diskove da zajedno vibriraju.

Između lopatica turbine s više rotora postoje složene interferencijske sile koje će utjecati na vibracije sustava diska i ploča.

Vibracija disk spojnice. Vibracija spajanja ruba diska povezana je s inherentnim karakteristikama vibracija sustava diska. Kada je pobudna sila na sustavu diska blizu određenog reda dinamičke frekvencije sustava, sustav će rezonirati i generirati vibracijski stres.

6.Montažno naprezanje na spoju između diska i osovine

Interferentni spoj između diska i osovine će generirati sklopni stres na disku. Veličina naprezanja sklopa ovisi o interferencijskom dosjedanju, veličini i materijalu diska i osovine, a povezana je s drugim opterećenjima na disku. Na primjer, postojanje centrifugalnog opterećenja i temperaturnog naprezanja će povećati središnju rupu diska, smanjiti smetnje, a time i naprezanje sklopa.

Među gore navedenim opterećenjima glavne komponente su centrifugalna sila mase i toplinsko opterećenje. Pri proračunu čvrstoće treba uzeti u obzir sljedeće kombinacije brzine rotacije i temperature:

Brzina svake točke proračuna čvrstoće navedena u ovojnici leta i temperaturno polje u odgovarajućoj točki;

Stacionarno temperaturno polje na točki najvećeg toplinskog opterećenja ili maksimalne temperaturne razlike u letu i najveća dopuštena stacionarna radna brzina, odnosno odgovarajuće stacionarno temperaturno polje kada se postigne najveća dopuštena stacionarna radna brzina u letu.

Za većinu motora polijetanje je često najgore stanje naprezanja, pa treba uzeti u obzir kombinaciju prijelaznog temperaturnog polja tijekom polijetanja (kada je postignuta najveća temperaturna razlika) i maksimalne radne brzine tijekom polijetanja.