Caratteristiche di carico e stato di calcolo dei dischi del compressore e della turbina dei motori aeronautici

Caratteristiche di carico e stato di calcolo dei dischi del compressore e della turbina dei motori aeronautici

Sebbene vi siano differenze nelle funzioni e nelle strutture dei rotori del compressore e della turbina, in termini di resistenza, le condizioni di lavoro delle ruote dei due sono più o meno le stesse. Tuttavia, il disco della turbina è a una temperatura più elevata, il che significa che l'ambiente di lavoro del disco della turbina è più duro.

I carichi sopportati dal disco del compressore o dal disco della turbina di un motore aeronautico sono i seguenti:

1. Forza centrifuga di massa

La girante deve resistere alla forza centrifuga delle pale e della girante stessa causata dalla rotazione del rotore. Le seguenti condizioni di velocità devono essere considerate nel calcolo della resistenza:

Velocità operativa allo stato stazionario nel punto di calcolo della resistenza specificato all'interno dell'inviluppo di volo;

Velocità massima ammissibile di funzionamento in regime stazionario specificata nelle specifiche del modello;

115% e 122% della velocità massima consentita in regime stazionario.

Le lame, i blocchi, i deflettori, i bulloni, i dadi e le viti installati sul disco sono tutti posizionati sul bordo del disco della ruota. Di solito, il bordo esterno del disco della ruota è sul fondo della scanalatura. Supponendo che questi carichi siano distribuiti uniformemente sulla superficie del bordo esterno del disco della ruota, il carico uniforme è:

Dove F è la somma di tutti i carichi esterni, R è il raggio del cerchio esterno della ruota e H è la larghezza assiale del bordo esterno della ruota.

Quando il fondo della scanalatura a mortasa e tenone è parallelo all'asse di rotazione del disco della ruota, il raggio del bordo esterno viene preso come il raggio della posizione in cui si trova il fondo della scanalatura; quando il fondo della scanalatura a mortasa e tenone ha un angolo di inclinazione nella direzione radiale con l'asse di rotazione del disco della ruota, il raggio del bordo esterno viene approssimativamente preso come il valore medio dei raggi del fondo della scanalatura del bordo anteriore e posteriore.

2. Carico termico

Il disco della ruota deve sopportare il carico termico causato dal riscaldamento non uniforme. Per il disco del compressore, il carico termico può essere generalmente ignorato. Tuttavia, con l'aumento del rapporto di pressione totale del motore e della velocità di volo, il flusso d'aria di uscita del compressore ha raggiunto una temperatura molto elevata. Pertanto, il carico termico dei dischi prima e dopo il compressore a volte non è trascurabile. Per il disco della turbina, lo stress termico è il fattore di influenza più importante dopo la forza centrifuga. I seguenti tipi di campi di temperatura dovrebbero essere considerati durante il calcolo:

Campo di temperatura allo stato stazionario per ciascun calcolo di resistenza specificato nell'inviluppo di volo;

Campo di temperatura allo stato stazionario in un tipico ciclo di volo;

Campo di temperatura di transizione in un tipico ciclo di volo.

Durante la stima, se i dati originali non possono essere forniti completamente e non c'è una temperatura misurata per riferimento, i parametri del flusso d'aria nello stato di progettazione e nello stato di carico termico più elevato possono essere utilizzati per la stima. La formula empirica per la stima del campo di temperatura sul disco è:

Nella formula, T è la temperatura al raggio richiesto, T0 è la temperatura al foro centrale del disco, Tb è la temperatura al bordo del disco, R è un raggio arbitrario sul disco e gli indici 0 e b corrispondono rispettivamente al foro centrale e al bordo.

m=2 corrisponde alla lega di titanio e all'acciaio ferritico senza raffreddamento forzato;

m=4 corrisponde alla lega a base di nichel con raffreddamento forzato.

• Per disco compressore ad alta pressione

Campo di temperatura allo stato stazionario:

Quando non c'è flusso d'aria di raffreddamento, si può considerare che non ci sia differenza di temperatura;

Quando c'è un flusso d'aria di raffreddamento, Tb può essere approssimativamente preso come la temperatura di uscita del flusso d'aria a ciascun livello del canale + 15℃, e T0 può essere approssimativamente preso come la temperatura di uscita del flusso d'aria al livello del flusso d'aria di raffreddamento di estrazione + 15℃.

Campo di temperatura transitoria:

Tb può essere approssimativamente considerata come la temperatura di uscita di ciascun livello del flusso d'aria del canale;

T0 può essere approssimativamente considerato pari al 50% della temperatura del cerchione quando non c'è flusso d'aria di raffreddamento; quando c'è flusso d'aria di raffreddamento, può essere approssimativamente considerato come la temperatura di uscita della fase di estrazione del flusso d'aria di raffreddamento.

• Per disco turbina

Campo di temperatura allo stato stazionario:

Tb0 è la temperatura della sezione trasversale della radice della pala; △T è la caduta di temperatura del tenone, che può essere approssimativamente calcolata come segue: △T=50-100℃ quando il tenone non è raffreddato; △T=250-300℃ quando il tenone si è raffreddato.

Campo di temperatura transitoria:

Il disco con le pale di raffreddamento può essere approssimato come segue: gradiente di temperatura transitorio = 1.75 × gradiente di temperatura allo stato stazionario;

Il disco senza pale di raffreddamento può essere approssimato come segue: gradiente di temperatura transitorio = 1.3 × gradiente di temperatura allo stato stazionario.

3. Forza del gas (forza assiale e circonferenziale) trasmessa dalle pale e pressione del gas sulle estremità anteriore e posteriore della girante

• Forza del gas trasmessa dalle pale

Per le pale del compressore, la componente della forza del gas che agisce sull'altezza della pala unitaria è:

Assiale:

Dove Zm e Q sono il raggio medio e il numero di pale; ρ1m e ρ2m è la densità del flusso d'aria nelle sezioni di ingresso e uscita; C1am e C2am sono la velocità assiale del flusso d'aria nel raggio medio delle sezioni di ingresso e uscita; p1m e p2m sono la pressione statica del flusso d'aria nel raggio medio delle sezioni di ingresso e uscita.

Direzione circonferenziale:

• Per pale turbina

La direzione della forza del gas sul gas è diversa dalle due formule sopra per un segno negativo. C'è generalmente una certa pressione nella cavità tra la girante a due stadi (specialmente la girante del compressore). Se la pressione negli spazi adiacenti è diversa, verrà causata una differenza di pressione sulla girante tra le due cavità, △p=p1-p2. In genere, △p ha scarso effetto sulla resistenza statica della girante, soprattutto quando c'è un foro nel raggio della girante, △p può essere ignorato.

4.Coppia giroscopica generata durante il volo di manovra

Per i dischi dei ventilatori di grande diametro dotati di pale, è opportuno considerare l'effetto dei momenti giroscopici sulla sollecitazione di flessione e sulla deformazione del disco.

5.Carichi dinamici generati dalle vibrazioni delle pale e dei dischi

Lo stress da vibrazione generato nel disco quando le lame e i dischi vibrano dovrebbe essere sovrapposto allo stress statico. I carichi dinamici generali sono:

La forza periodica non uniforme del gas sulle pale. A causa della presenza della staffa e della camera di combustione separata nel canale di flusso, il flusso d'aria è irregolare lungo la circonferenza, il che produce una forza di eccitazione periodica non bilanciata del gas sulle pale. La frequenza di questa forza di eccitazione è: Hf = ωm. Tra loro, ω è la velocità del rotore del motore e m è il numero di staffe o camere di combustione.

La pressione periodica non uniforme del gas sulla superficie del disco.

La forza eccitante trasmessa al disco tramite l'albero collegato, l'anello di collegamento o altre parti. Ciò è dovuto allo squilibrio del sistema dell'albero, che causa la vibrazione dell'intera macchina o del sistema del rotore, spingendo così il disco collegato a vibrare insieme.

Tra le pale della turbina multirotore si verificano complesse forze di interferenza, che influiscono sulla vibrazione del sistema di dischi e piastre.

Vibrazione di accoppiamento del disco. La vibrazione di accoppiamento del bordo del disco è correlata alle caratteristiche di vibrazione intrinseche del sistema del disco. Quando la forza di eccitazione sul sistema del disco è vicina a un certo ordine di frequenza dinamica del sistema, il sistema risuonerà e genererà stress da vibrazione.

6.Sollecitazione di montaggio nel collegamento tra disco e albero

L'interferenza tra il disco e l'albero genererà una sollecitazione di assemblaggio sul disco. L'entità della sollecitazione di assemblaggio dipende dall'interferenza, dalle dimensioni e dal materiale del disco e dell'albero, ed è correlata ad altri carichi sul disco. Ad esempio, l'esistenza di carico centrifugo e sollecitazione termica allargherà il foro centrale del disco, ridurrà l'interferenza e quindi ridurrà la sollecitazione di assemblaggio.

Tra i carichi sopra menzionati, la forza centrifuga di massa e il carico termico sono i componenti principali. Quando si calcola la resistenza, si dovrebbero considerare le seguenti combinazioni di velocità di rotazione e temperatura:

La velocità di ciascun punto di calcolo della resistenza specificato nell'inviluppo di volo e il campo di temperatura nel punto corrispondente;

Il campo di temperatura allo stato stazionario nel punto di massimo carico termico o la massima differenza di temperatura in volo e la massima velocità operativa stazionaria consentita, o il corrispondente campo di temperatura allo stato stazionario quando viene raggiunta in volo la massima velocità operativa stazionaria consentita.

Per la maggior parte dei motori, il decollo è spesso lo stato di stress peggiore, quindi è opportuno considerare la combinazione del campo di temperatura transitorio durante il decollo (quando viene raggiunta la massima differenza di temperatura) e la massima velocità operativa durante il decollo.