航空機エンジンのコンプレッサとタービンディスクの負荷特性と計算状況

航空機エンジンのコンプレッサとタービンディスクの負荷特性と計算状況

コンプレッサーとタービンローターの機能と構造には違いがありますが、強度の面では、両者のホイールの動作条件はほぼ同じです。ただし、タービンディスクは高温になるため、タービンディスクの動作環境はより過酷になります。

航空機エンジンのコンプレッサー ディスクまたはタービン ディスクにかかる荷重は次のとおりです。

1. 質量遠心力

インペラは、ローターの回転によって生じるブレードとインペラ自体の遠心力に耐える必要があります。強度計算では、次の速度条件を考慮する必要があります。

飛行範囲内で指定された強度計算点における定常動作速度。

モデル仕様で指定された最大許容定常動作速度。

最大許容定常動作速度の 115% および 122%。

ディスクに取り付けられたブレード、ロック、バッフル、ボルト、ナット、ネジはすべてホイール ディスクの端にあります。通常、ホイール ディスクの外縁は溝の底にあります。これらの荷重がホイール ディスクの外縁の表面に均等に分散されていると仮定すると、均一荷重は次のようになります。

ここで、F はすべての外部荷重の合計、R はホイールの外側の円の半径、H はホイールの外側の端の軸方向の幅です。

ほぞ溝の底がホイールディスクの回転軸と平行である場合、外縁半径は溝の底が位置する位置の半径とみなされ、ほぞ溝の底がホイールディスクの回転軸に対して半径方向に傾斜角を有する場合、外縁半径は前縁溝底半径と後縁溝底半径の平均値と近似される。

2. 熱負荷

ホイールディスクは、不均一な加熱によって生じる熱負荷に耐えなければなりません。コンプレッサーディスクの場合、熱負荷は通常無視できます。ただし、エンジンの全圧力比と飛行速度の増加に伴い、コンプレッサー出口の空気流は非常に高温になります。そのため、コンプレッサー前後のディスクの熱負荷は無視できない場合があります。タービンディスクの場合、熱応力は遠心力に次いで最も重要な影響要因です。計算中に次のタイプの温度場を考慮する必要があります。

飛行エンベロープで指定された各強度計算の定常温度場。

典型的な飛行サイクルにおける定常温度場。

典型的な飛行サイクルにおける遷移温度場。

推定時に、元のデータを完全に提供できず、参照用の測定温度がない場合は、設計状態と最高熱負荷状態での気流パラメータを使用して推定できます。ディスク上の温度場を推定するための経験式は次のとおりです。

式中、T は必要な半径での温度、T0 はディスクの中心の穴での温度、Tb はディスクの縁での温度、R はディスク上の任意の半径であり、下付き文字の 0 と b はそれぞれ中心の穴と縁に対応します。

m=2は強制冷却なしのチタン合金およびフェライト鋼に相当します。

m=4は強制冷却されたニッケル基合金に相当します。

• 高圧コンプレッサーディスク用

定常温度場:

冷却風がない場合には温度差はないと考えられます。

冷却気流がある場合、Tbはチャネルの各レベルにおける気流の出口温度+15とほぼみなすことができます。℃、T0は、抽出冷却気流レベル+15における気流の出口温度とほぼ等しいとみなすことができる。℃.

過渡温度場:

Tb は、チャネルの空気流の各レベルの出口温度として近似的に考えることができます。

T0 は、冷却風がない場合にはホイールリム温度の 50% とほぼみなすことができます。冷却風がある場合には、冷却風抽出段の出口温度とほぼみなすことができます。

• タービンディスク用

定常温度場:

Tb0はブレード根元の断面温度である。 △T はほぞの温度降下であり、おおよそ次のように求められます。 △T=50-100℃ ほぞが冷却されていない場合; △T=250-300℃ ほぞが冷めたとき。

過渡温度場:

冷却ブレードを備えたディスクは次のように近似できる：過渡温度勾配 = 1.75 × 定常温度勾配;

冷却ブレードのないディスクは次のように近似できる：過渡温度勾配 = 1.3 × 定常温度勾配。

3. ブレードによって伝達されるガス力（軸方向および周方向の力）とインペラの前後端にかかるガス圧力

• ブレードから伝達されるガスの力

コンプレッサーブレードの場合、単位ブレード高さに作用するガス力成分は次のようになります。

軸:

ここで、Zm と Q は平均半径とブレードの数です。 ρ1メートルと ρ2m は入口および出口セクションにおける気流の密度、C1am および C2am は入口および出口セクションの平均半径における気流の軸方向速度、p1m および p2m は入口および出口セクションの平均半径における気流の静圧です。

円周方向:

• タービンブレード用

ガスに対するガス力の方向は、上記の2つの式とは負の符号で異なります。通常、2段インペラ（特にコンプレッサーインペラ）間のキャビティには一定の圧力があります。隣接する空間の圧力が異なる場合、2つのキャビティ間のインペラに圧力差が生じます。 △p=p1-p2。一般的には、 △pは、特にインペラスポークに穴がある場合、インペラの静的強度にほとんど影響を与えません。 △pは無視できます。

4.操縦飛行中に発生するジャイロトルク

ファンブレードを備えた大径ファンディスクの場合、ディスクの曲げ応力と変形に対するジャイロモーメントの影響を考慮する必要があります。

5.ブレードとディスクの振動によって発生する動的負荷

ブレードとディスクが振動するときにディスクに発生する振動応力は、静的応力に重ね合わせる必要があります。一般的な動的荷重は次のとおりです。

ブレードにかかる周期的な不均一なガス力。流路内にブラケットと独立した燃焼室があるため、空気の流れは円周に沿って不均一になり、ブレードに周期的な不均衡なガス励起力が発生します。この励起力の周波数は、Hf = ωm. その中には、 ω はエンジンローターの速度、m はブラケットまたは燃焼室の数です。

ディスク表面上の周期的な不均一なガス圧力。

励振力は、接続されたシャフト、接続リング、またはその他の部品を介してディスクに伝達されます。これは、シャフトシステムの不均衡が原因で、機械全体またはローターシステムの振動を引き起こし、接続されたディスクも一緒に振動します。

マルチロータータービンのブレード間には複雑な干渉力があり、ディスクとプレートシステムの振動に影響を与えます。

ディスク カップリング振動。ディスク エッジ カップリング振動は、ディスク システムの固有の振動特性に関連しています。ディスク システムにかかる励起力がシステムの動的周波数の特定のオーダーに近づくと、システムが共振して振動応力が発生します。

6.ディスクとシャフトの接続部における組み立て応力

ディスクとシャフトの干渉により、ディスクにアセンブリ応力が発生します。アセンブリ応力の大きさは、干渉嵌合、ディスクとシャフトのサイズと材質によって決まり、ディスクにかかるその他の負荷にも関連しています。たとえば、遠心荷重と温度応力が存在すると、ディスクの中心穴が拡大し、干渉が減少し、アセンブリ応力が減少します。

上記の荷重のうち、質量遠心力と熱負荷が主な要素であり、強度を計算する際には、回転速度と温度の以下の組み合わせを考慮する必要があります。

飛行エンベロープに指定された各強度計算点の速度と対応する点の温度場。

飛行中の最大熱負荷点または最大温度差と最大許容定常動作速度における定常温度場、または飛行中に最大許容定常動作速度に達したときの対応する定常温度場。

ほとんどのエンジンでは、離陸時が最悪のストレス状態となることが多いため、離陸時の過渡温度場（最大温度差に達したとき）と離陸時の最大動作速度の組み合わせを考慮する必要があります。