Repülőgép-hajtóművek kompresszor- és turbinatárcsáinak terhelési jellemzői és számítási állapota

Repülőgép-hajtóművek kompresszor- és turbinatárcsáinak terhelési jellemzői és számítási állapota

Bár a kompresszor és a turbina rotorok funkciójában és felépítésében vannak eltérések, szilárdság tekintetében a kettő kerekeinek munkakörülményei nagyjából megegyeznek. A turbinatárcsa azonban magasabb hőmérsékletű, ami azt jelenti, hogy a turbinatárcsa munkakörnyezete keményebb.

A repülőgép-hajtómű kompresszortárcsáját vagy turbinatárcsáját terhelő terhelések a következők:

1. Tömeges centrifugális erő

A járókeréknek ellenállnia kell a lapátok és magának a járókeréknek a rotor forgása által okozott centrifugális erejének. A szilárdság számításánál a következő sebességviszonyokat kell figyelembe venni:

Állandó üzemi sebesség a repülési kereten belül meghatározott szilárdsági számítási ponton;

A modellspecifikációban megadott legnagyobb megengedett állandósult üzemi sebesség;

115%-a és 122%-a a maximálisan megengedett állandósult üzemi sebességnek.

A tárcsára szerelt pengék, zárak, terelőlapok, csavarok, anyák és csavarok mind a keréktárcsa szélén találhatók. Általában a keréktárcsa külső széle a horony alján található. Feltételezve, hogy ezek a terhelések egyenletesen oszlanak el a keréktárcsa külső élének felületén, az egyenletes terhelés:

Ahol F az összes külső terhelés összege, R a kerék külső körének sugara, H pedig a kerék külső élének tengelyirányú szélessége.

Ha a horony és a csaphorony alja párhuzamos a keréktárcsa forgástengelyével, a külső él sugarát annak a helyzetnek a sugarának kell tekinteni, ahol a horony alja található; ha a horony és a csaphorony alja sugárirányban hajlásszöggel rendelkezik a keréktárcsa forgástengelyével, akkor a külső él sugarát hozzávetőlegesen az első és a hátsó él horony alsó sugarának átlagos értékének vesszük.

2. Hőterhelés

A keréktárcsának el kell viselnie az egyenetlen felmelegedés okozta hőterhelést. A kompresszortárcsa esetében a hőterhelés általában figyelmen kívül hagyható. A motor össznyomásviszonyának és repülési sebességének növekedésével azonban a kompresszor kilépő levegőárama nagyon magas hőmérsékletet ért el. Ezért a tárcsák hőterhelése a kompresszor előtt és után néha nem elhanyagolható. A turbinatárcsa esetében a termikus feszültség a legfontosabb befolyásoló tényező a centrifugális erő után. A számítás során a következő típusú hőmérsékletmezőket kell figyelembe venni:

Állandósult hőmérsékleti mező a repülési keretben meghatározott minden egyes erősségszámításhoz;

Állandósult hőmérsékleti mező egy tipikus repülési ciklusban;

Átmeneti hőmérséklet mező egy tipikus repülési ciklusban.

A becslés során, ha az eredeti adatokat nem lehet teljes körűen megadni, és nincs referenciaként mért hőmérséklet, akkor a tervezési állapot és a legnagyobb hőterhelési állapot alatti légáramlási paraméterek használhatók a becsléshez. Az empirikus képlet a lemez hőmérsékleti mezőjének becslésére a következő:

A képletben T a kívánt sugarú hőmérséklet, T0 a lemez középső furatának hőmérséklete, Tb a lemez peremének hőmérséklete, R egy tetszőleges sugár a lemezen, és a 0 és b alsó indexek a középső lyuknak és a peremnek felelnek meg.

m=2 titánötvözetnek és ferrites acélnak felel meg kényszerhűtés nélkül;

m=4 nikkel alapú ötvözetnek felel meg kényszerhűtéssel.

• Nagynyomású kompresszortárcsához

Állandósult hőmérsékleti mező:

Ha nincs hűtőlevegő-áramlás, akkor úgy tekinthetjük, hogy nincs hőmérséklet-különbség;

Hűtő légáramlás esetén a Tb megközelítőleg a légáram kilépő hőmérséklete a csatorna minden szintjén + 15℃, és a T0 megközelítőleg a levegőáram kilépő hőmérséklete az elszívott hűtő levegő áramlási szintjén + 15℃.

Átmeneti hőmérséklet mező:

A Tb hozzávetőlegesen a csatorna légáramlás minden szintjének kilépő hőmérsékleteként tekinthető;

A T0 körülbelül a keréktárcsa hőmérsékletének 50%-a, ha nincs hűtőlevegő-áramlás; Hűtőlevegő-áramlás esetén ez megközelítőleg a hűtőlevegő-elszívási fokozat kilépő hőmérsékletének tekinthető.

• Turbinás tárcsához

Állandósult hőmérsékleti mező:

Tb0 a pengegyökér keresztmetszeti hőmérséklete; △T a csap hőmérsékletesése, amely megközelítőleg a következőképpen vehető fel: △T=50-100℃ amikor a csap nincs lehűtve; △T=250-300℃ amikor a csap lehűlt.

Átmeneti hőmérséklet mező:

A hűtőlapátokkal ellátott tárcsa a következőképpen közelíthető meg: átmeneti hőmérsékleti gradiens = 1.75 × állandósult hőmérsékleti gradiens;

A hűtőlapátok nélküli tárcsa a következőképpen közelíthető meg: tranziens hőmérsékleti gradiens = 1.3 × állandósult hőmérsékleti gradiens.

3. A lapátok által továbbított gázerő (axiális és kerületi erő), valamint a járókerék elülső és hátsó végén lévő gáznyomás

• A pengékről továbbított gázerő

A kompresszor lapátjainál az egység lapátmagasságára ható gázerőkomponens:

Tengelyirányú:

ahol Zm és Q a lapátok átlagos sugara és száma; ρ1 m és ρ2m a légáramlás sűrűsége a bemeneti és kimeneti szakaszokon; C1am és C2am a légáramlás tengelyirányú sebessége a bemeneti és kimeneti szakaszok átlagos sugarában; p1m és p2m a légáramlás statikus nyomása a bemeneti és kimeneti szakaszok átlagos sugarában.

Kerületi irány:

• Turbinalapátokhoz

A gázra ható gázerő iránya negatív előjellel tér el a fenti két képlettől. A kétfokozatú járókerék (különösen a kompresszor járókerék) közötti üregben általában van egy bizonyos nyomás. Ha a szomszédos terekben eltérő a nyomás, nyomáskülönbség keletkezik a járókeréken a két üreg között, △p=p1-p2. Általában, △p csekély hatással van a járókerék statikus szilárdságára, különösen, ha lyuk van a járókerék küllőjében, △p figyelmen kívül hagyható.

4.A manőverező repülés során keletkező giroszkópos nyomaték

Nagy átmérőjű ventilátorlapátokkal ellátott ventilátortárcsák esetén figyelembe kell venni a giroszkópos nyomatékok hatását a tárcsa hajlítási igénybevételére és deformációjára.

5.A penge és a tárcsa vibrációja által generált dinamikus terhelések

A tárcsában a lapátok és a tárcsák rezgésekor keletkező rezgési feszültséget a statikus feszültséggel kell felülírni. Az általános dinamikus terhelések a következők:

A lapátokra ható időszakos nem egyenletes gázerő. Az áramlási csatornában lévő konzol és a különálló égéskamra jelenléte miatt a légáramlás a kerület mentén egyenetlen, ami periodikusan kiegyensúlyozatlan gázgerjesztő erőt hoz létre a lapátokon. Ennek a gerjesztő erőnek a frekvenciája: Hf = ωm. Köztük ω a motor forgórészének fordulatszáma, m pedig a tartók vagy égésterek száma.

A periódusos nem egyenletes gáznyomás a lemez felületén.

Az a gerjesztő erő, amely a csatlakoztatott tengelyen, összekötő gyűrűn vagy más részeken keresztül továbbítódik a tárcsára. Ez a tengelyrendszer kiegyensúlyozatlanságából adódik, ami az egész gép vagy a forgórész rendszer rezgését okozza, ezáltal a csatlakoztatott tárcsa együtt rezgésbe jön.

A többrotoros turbina lapátjai között összetett zavaró erők lépnek fel, amelyek befolyásolják a tárcsa és a lemezrendszer rezgését.

Lemezcsatlakozó vibráció. A lemez élcsatoló rezgése összefügg a lemezrendszer belső rezgési jellemzőivel. Ha a lemezrendszerre ható gerjesztő erő közel van a rendszer dinamikus frekvenciájának egy bizonyos sorrendjéhez, a rendszer rezonál és rezgési feszültséget generál.

6.Szerelési feszültség a tárcsa és a tengely csatlakozásánál

A tárcsa és a tengely közötti interferencia illesztés összeszerelési feszültséget generál a lemezen. Az összeszerelési feszültség nagysága függ az interferencia illesztésétől, a tárcsa és a tengely méretétől és anyagától, és összefügg a tárcsát érő egyéb terhelésekkel. Például a centrifugális terhelés és a hőmérsékleti feszültség megnöveli a lemez középső furatát, csökkenti az interferenciát, és ezáltal csökkenti az összeszerelési feszültséget.

A fent említett terhelések közül a tömegcentrifugális erő és a hőterhelés a fő összetevők. A szilárdság kiszámításakor a forgási sebesség és a hőmérséklet következő kombinációit kell figyelembe venni:

Az egyes szilárdsági számítási pontok repülési burkológörbe meghatározott sebessége és a megfelelő pont hőmérsékleti mezője;

Az állandósult hőmérsékleti mező a maximális hőterhelési ponton vagy a maximális hőmérséklet-különbség repülés közben és a legnagyobb megengedett állandósult üzemi sebesség, vagy a megfelelő állandósult hőmérsékleti mező, amikor repülés közben elérik a megengedett legnagyobb állandósult üzemi sebességet.

A legtöbb motor esetében a felszállás gyakran a legrosszabb igénybevételi állapot, ezért figyelembe kell venni a felszállás közbeni tranziens hőmérsékleti mező (amikor elérjük a maximális hőmérsékletkülönbséget) és a felszállás közbeni maximális üzemi sebesség kombinációját.