Osnovne karakteristike opterećenja i status izračuna diskova kompresora i turbine leteljskog motora

Osnovne karakteristike opterećenja i status izračuna diskova kompresora i turbine leteljskog motora

Iako postoje razlike u funkcijama i strukturama rotora kompresora i turbine, s obzirom na čvrstoću, radne uvjete kotača ova dva su gotovo identična. Međutim, disk turbine je pod višom temperaturom, što znači da je radno okruženje diska turbine jače.

Opterećenja koja nose disk kompresora ili disk turbine avijskog motora su sljedeća:

1. Centrifugalna sila mase

Radni kotao mora izdržati centrifugalnu silu lopatica i samog kotao uzrokovane rotacijom rotorja. U izračunu čvrstoće treba uzeti u obzir sljedeće brzinske uvjete:

Stacionarna radna brzina u točki izračuna čvrstoće određenoj unutar letovnog ohrabrenja;

Maksimalna dopuštena stacionarna radna brzina određena u specifikacijama modela;

115% i 122% maksimalne dopuštene stacionarne radne brzine.

Ostrve, zaključci, pregrade, šrafovi, vijci i šraubi montirani na ploči nalaze se sva na rubu kotula. Obično, vanjski rub kotula nalazi se na dnu jame. Pretpostavljajući da su ove opterećenja ravnomjerno distribuirane po površini vanjskog ruba kotula, ravnomjerno opterećenje je:

Gdje je F zbroj svih vanjskih opterećenja, R radijus vanjskog kruga kotula, a H osni širini vanjskog ruba kotula.

Kada je dno šipkaste jamice paralelno s osi rotacije kotula, vanjski rub radijusa uzima se kao radijus položaja gdje se nalazi dno jame; kada dno šipkaste jamice ima nagibni kut u radialnom smjeru s osi rotacije kotula, vanjski rub radijusa uzima se približno kao prosječna vrijednost radijusa dana prednjeg i zadnjeg ruba dana dna jame.

2. Termalno opterećenje

Točkovni disk mora izdržati toplinsku opterećenja uzrokovana nejednolikim grejanjem. Za kompresorski disk, toplinsko opterećenje se općenito može zanemariti. Međutim, s porastom ukupnog tlaka motora i brzine leta, izlazni zrak iz kompresora je dostigao vrlo visoku temperaturu. Stoga, toplinsko opterećenje diska prije i poslije kompresora ponekad nije zanemarljivo. Za turbini disk, toplinska naprezanja su najvažniji utjecaj nakon centrifugalne sile. Tijekom računanja treba uzeti u obzir sljedeće vrste temperature polja:

Stacionarno polje temperature za svaku jačinsku analizu određenu u letskom obruču;

Stacionarno polje temperature u tipičnom letskom ciklusu;

Transitorno polje temperature u tipičnom letskom ciklusu.

Prilikom procjene, ako se izvorni podaci ne mogu potpuno pružiti i ne postoji mjerenja temperature za referencu, parametri zraka u dizajniranom stanju i u stanju s najvišom toplinskom opterećenjem mogu se koristiti za procjenu. Empirijska formula za procjenu temperature na disku je:

U formuli, T predstavlja temperaturu na traženom radijusu, T0 je temperatura u središnjem otvoru diska, Tb je temperatura na rubu diska, R je proizvoljan radijus na disku, a indeksi 0 i b odgovaraju središnjem otvoru i rubu, redom.

m=2 odgovara titanovoj leguri i ferritskoj oceli bez prisilnog hlađenja;

m=4 odgovara nikl-baziranoj leguri s prisilnim hlađenjem.

• Za disk visokog tlaka

Stacionarno polje temperature:

Kada ne postoji hladno zrak, može se pretpostaviti da ne postoji razlika u temperaturi;

Kada postoji hlađajući zrak, Tb se može približno uzeti kao izlazna temperatura zraka na svakom nivou kanala + 15 ℃ , a T0 se može približno uzeti kao izlazna temperatura zraka na nivou oduzimanja hlađajućeg zraka + 15 ℃ .

Privremeno temperaturno polje:

Tb se može približno uzeti kao izlazna temperatura zraka na svakom nivou kanala;

T0 se može približno uzeti kao 50% temperature kotačnog obruba kada ne postoji hlađajući zrak; kada postoji hlađajući zrak, može se približno uzeti kao izlazna temperatura na nivou oduzimanja hlađajućeg zraka.

• Za turbinu disk

Stacionarno polje temperature:

Tb0 je presječna temperatura korijena lopatica; △ T je pad temperature u šipci, koji se može približno uzeti kao što slijedi: △ T=50-100 ℃ kada šipka nije hlađana; △ T=250-300 ℃ kada je šipka ohlađena.

Privremeno temperaturno polje:

Disk s ohladnim lopaticama može se približno izračunati kao što sledi: privremeni temperaturni gradijent = 1,75 × stacionarni temperaturni gradijent;

Disk bez ohladnih lopatica može se približno izračunati kao što sledi: privremeni temperaturni gradijent = 1,3 × stacionarni temperaturni gradijent.

3. Plinska sila (osovinska i oplovnica) prenesena putem lopaca i plinski pritisak na prednje i zadnje krajeve impelera

• Plinska sila prenesena od lopaca

Za kompresorske lopce, plinska komponenta koja djeluje na jedinicu visine lopaste je:

Aksijalno:

Gdje su Zm i Q prosječni polumjer i broj lopatica; ρ 1m i ρ 2m gustoća zraka na ulaznom i izlaznom presjeku; C1am i C2am su osna brzina zraka na prosječnom polumjeru ulaznog i izlaznog presjeka; p1m i p2m su statični tlak zraka na prosječnom polumjeru ulaznog i izlaznog presjeka.

U obodnom smjeru:

• Za turbininske lopatice

Smjer gasne sile na plin razlikuje se od navedenih dvaju formula negativnim predznakom. Između dviju etapa impelera (posebno kompresorskih lopatica) općenito postoji neki tlak u prostoru. Ako je tlak u susjednim prostorima različit, uzrokujeće se tlakova između dvaju prostora na impeleru, △ p=p1-p2. Općenito, △ p malo utječe na statičku jačinu impelera, posebno kada postoje rupe u štapićima impelera, △ p može biti zanemaren.

4.Giroskopski moment koji se generira tijekom manevra leta

Za velike dijametarne ventilatorske ploče s ventilatorskim listovima, utjecaj giroskopskih momenata na savijajući naprezanj i deformaciju ploče treba uzeti u obzir.

5.Dinamički opterećenja generirana vibracijama listova i ploče

Naprezanja izazvana vibracijama listova i ploče treba nadodati statičnim naprezanjima. Opće dinamičke opterećenja su:

Periodično neuniformna plinska sila na liste. Zbog prisutnosti zagrada i odvojenih gorivača u tokovnom kanalu, točkastost je neuniformna duž opsega, što stvara periodičnu nebalansiranu plinsku uzbuđujuću silu na liste. Frekvencija ove uzbuđujuće sile je: Hf = ω m. Među njima, ω je brzina rotora motora, a m je broj zagrada ili gorivača.

Periodično neuniformni plinski tlak na površini ploče.

Uzbudna sila prenesena na disk putem spojene osovine, spojnog prstena ili drugih dijelova. To je uzrokovano neuskladenošću osnog sustava, što uzrokuje vibracije cijelog stroja ili rotornog sustava, time držeći povezani disk da se zajedno vibrira.

Postoje složeni nagibni utjecaji između listića višerotorne turbine, koji će utjecati na vibracije diska i pločnog sustava.

Vibracija diska s vezom. Vibracija ruba diska vezana je za intrinzične vibracijske karakteristike diskovog sustava. Kada je uzbudna sila na diskovom sustavu blizu određenom redu dinamičke frekvencije sustava, sustav će rezonirati i proizvesti vibracijski stres.

6.Montažni stres na spoju između diska i osovine

Interferenčno prilaganje između ploče i valjka će stvoriti montažni naprezak na ploči. Veličina montažnog naprezaka ovisi o interferenčnom prilaganju, veličini i materijalu ploče i valjka, te je povezana s drugim opterećenjima na ploči. Na primjer, postojanje centrifugalnog opterećenja i temperaturnog naprezanja može proširiti središnji otvor ploče, smanjiti interferenciju, a time i smanjiti montažno naprezanje.

Među navedenim opterećenjima, masa centrifugalne sile i toplinsko opterećenje su glavni čimbenici. Prilikom računanja jačine treba uzeti u obzir sljedeće kombinacije brzine rotacije i temperature:

Brzina svake točke za izračun jačine određene u letskom ohrani i temperaturno polje u odgovarajućoj točki;

Polje stalne temperaturice u točki maksimalnog toplinskog opterećenja ili maksimalna razlika temperature tijekom leta i maksimalna dopuštena stalna brzina rada, ili odgovarajuće polje stalne temperaturice kada se u letu dostigne maksimalna dopuštena stalna brzina rada.

Za većinu motora, start je često najgore stanje naprezanja, stoga treba uzeti u obzir kombinaciju privremenog polja temperaturice tijekom starta (kada se dostigne maksimalna razlika temperature) i maksimalna radna brzina tijekom starta.