항공기 엔진의 압축기 및 터빈 디스크의 부하 특성 및 계산 현황

항공기 엔진의 압축기 및 터빈 디스크의 부하 특성 및 계산 현황

압축기와 터빈 로터의 기능과 구조에는 차이가 있지만 강도 면에서 두 휠의 작동 조건은 거의 동일합니다. 그러나 터빈 디스크는 더 높은 온도에 있으므로 터빈 디스크의 작동 환경이 더 가혹합니다.

항공기 엔진의 압축기 디스크나 터빈 디스크가 받는 하중은 다음과 같습니다.

1. 질량 원심력

임펠러는 로터의 회전으로 인해 발생하는 블레이드와 임펠러 자체의 원심력을 견뎌야 합니다. 강도 계산에는 다음 속도 조건을 고려해야 합니다.

비행 범위 내에서 지정된 강도 계산 지점에서의 정상 상태 작동 속도

모델 사양에 명시된 최대 허용 정상 상태 작동 속도

최대 허용 정상 상태 작동 속도의 115% 및 122%.

디스크에 설치된 블레이드, 잠금 장치, 배플, 볼트, 너트 및 나사는 모두 휠 디스크의 가장자리에 있습니다. 일반적으로 휠 디스크의 바깥쪽 가장자리는 홈의 바닥에 있습니다. 이러한 하중이 휠 디스크의 바깥쪽 가장자리 표면에 고르게 분포된다고 가정하면 균일 하중은 다음과 같습니다.

여기서 F는 모든 외부 하중의 합이고, R은 바퀴의 바깥쪽 원의 반지름이며, H는 바퀴 바깥쪽 가장자리의 축 방향 너비입니다.

홈의 바닥이 휠 디스크의 회전 축과 평행할 때, 외측 모서리 반경은 홈의 바닥이 위치한 위치의 반경으로 취합니다. 홈의 바닥이 휠 디스크의 회전 축과 반경 방향으로 경사각을 가질 때, 외측 모서리 반경은 대략 앞뒤 모서리 홈 바닥 반경의 평균값으로 취합니다.

2. 열부하

휠 디스크는 불균일한 가열로 인한 열 부하를 견뎌야 합니다. 압축기 디스크의 경우 열 부하는 일반적으로 무시할 수 있습니다. 그러나 엔진의 총 압력 비율과 비행 속도가 증가함에 따라 압축기 출구 공기 흐름은 매우 높은 온도에 도달했습니다. 따라서 압축기 전후 디스크의 열 부하는 때때로 무시할 수 없습니다. 터빈 디스크의 경우 원심력 다음으로 열 응력이 가장 중요한 영향 요인입니다. 계산하는 동안 다음 유형의 온도 필드를 고려해야 합니다.

비행 범위에 지정된 각 강도 계산에 대한 정상 상태 온도장

일반적인 비행 주기에서의 정상 상태 온도장

일반적인 비행 사이클에서의 전이 온도장.

추정 시, 원래 데이터를 완전히 제공할 수 없고 참조할 측정된 온도가 없는 경우 설계 상태와 가장 높은 열 부하 상태에서의 공기 흐름 매개변수를 추정에 사용할 수 있습니다. 디스크의 온도 필드를 추정하기 위한 경험적 공식은 다음과 같습니다.

공식에서 T는 필요한 반경에서의 온도이고, T0는 디스크의 중심 구멍에서의 온도이며, Tb는 디스크의 가장자리에서의 온도이고, R은 디스크의 임의의 반경이며, 아래 첨자 0과 b는 각각 중심 구멍과 가장자리에 해당합니다.

m=2는 강제 냉각 없는 티타늄 합금 및 페라이트 강에 해당합니다.

m=4는 강제 냉각된 니켈 기반 합금에 해당합니다.

• 고압 압축기 디스크용

정상 상태 온도장:

냉각 공기 흐름이 없는 경우에는 온도차가 없다고 볼 수 있습니다.

냉각 공기 흐름이 있는 경우 Tb는 채널의 각 레벨에서 공기 흐름의 출구 온도 + 15로 대략 간주될 수 있습니다.℃, 그리고 T0는 대략 추출 냉각 공기 흐름 레벨 + 15에서의 공기 흐름의 출구 온도로 간주될 수 있습니다.℃.

과도 온도 필드:

Tb는 대략 채널 공기 흐름의 각 레벨의 출구 온도로 간주될 수 있습니다.

냉각 공기 흐름이 없을 때 T0는 휠 림 온도의 약 50%로 간주될 수 있으며, 냉각 공기 흐름이 있는 경우 냉각 공기 흐름 추출 단계의 출구 온도로 간주될 수 있습니다.

• 터빈 디스크용

정상 상태 온도장:

Tb0는 블레이드 루트의 단면 온도입니다. △T는 테넌의 온도 강하이며, 대략 다음과 같이 구할 수 있습니다. △티=50~100℃ 테넌이 식지 않았을 때, △티=250~300℃ 테넌이 식었을 때.

과도 온도 필드:

냉각 블레이드가 있는 디스크는 다음과 같이 근사화할 수 있습니다. 과도 온도 구배 = 1.75 × 정상상태 온도 구배

냉각 블레이드가 없는 디스크는 다음과 같이 근사화할 수 있습니다. 과도 온도 구배 = 1.3 × 정상상태의 온도 구배.

3. 블레이드에 의해 전달되는 가스력(축방향 및 원주방향 힘)과 임펠러의 전면 및 후면에 작용하는 가스압력

• 블레이드에서 전달되는 가스의 힘

압축기 블레이드의 경우 단위 블레이드 높이에 작용하는 가스 힘 성분은 다음과 같습니다.

축:

여기서 Zm과 Q는 평균 반경과 블레이드 수입니다. ρ1m와 ρ2m는 입구 및 출구 구간에서의 공기 흐름 밀도입니다. C1am 및 C2am은 입구 및 출구 구간의 평균 반경에서의 공기 흐름의 축 방향 속도입니다. p1m 및 p2m은 입구 및 출구 구간의 평균 반경에서의 공기 흐름의 정압입니다.

원주 방향:

• 터빈 블레이드용

가스에 대한 가스 힘의 방향은 위의 두 공식과 음수 부호로 다릅니다. 일반적으로 2단 임펠러(특히 압축기 임펠러) 사이의 캐비티에는 일정한 압력이 있습니다. 인접한 공간의 압력이 다르면 두 캐비티 사이의 임펠러에 압력 차이가 발생합니다. △p=p1-p2. 일반적으로, △p는 임펠러의 정적 강도에 거의 영향을 미치지 않습니다. 특히 임펠러 스포크에 구멍이 있는 경우 더욱 그렇습니다. △p는 무시될 수 있습니다.

4.조종 비행 중 생성되는 자이로스코픽 토크

팬 블레이드가 있는 대구경 팬 디스크의 경우, 자이로스코프 모멘트가 디스크의 굽힘 응력과 변형에 미치는 영향을 고려해야 합니다.

5.블레이드 및 디스크 진동에 의해 생성되는 동적 하중

블레이드와 디스크가 진동할 때 디스크에서 발생하는 진동 응력은 정적 응력과 중첩되어야 합니다. 일반적인 동적 하중은 다음과 같습니다.

블레이드에 대한 주기적 불균일 가스 힘. 흐름 채널에 브래킷과 별도의 연소실이 있기 때문에 공기 흐름이 원주를 따라 불균일하여 블레이드에 주기적 불균형 가스 여기력이 발생합니다. 이 여기력의 주파수는 다음과 같습니다. Hf = ω그 중에서도 m. ω 는 엔진 로터의 속도이고, m은 브래킷 또는 연소실의 수입니다.

디스크 표면의 주기적이고 불균일한 가스 압력.

연결된 샤프트, 연결 링 또는 기타 부품을 통해 디스크로 전달되는 흥분력. 이는 샤프트 시스템의 불균형으로 인해 전체 기계 또는 로터 시스템의 진동이 발생하여 연결된 디스크가 함께 진동하게 됩니다.

멀티로터 터빈의 날개 사이에는 복잡한 간섭력이 존재하며, 이는 디스크와 플레이트 시스템의 진동에 영향을 미칩니다.

디스크 커플링 진동. 디스크 에지 커플링 진동은 디스크 시스템의 고유한 진동 특성과 관련이 있습니다. 디스크 시스템의 여기력이 시스템의 동적 주파수의 특정 순서에 가까울 때, 시스템은 공진하고 진동 응력을 생성합니다.

6.디스크와 샤프트 연결부에서의 조립응력

디스크와 샤프트 사이의 간섭 맞춤은 디스크에 조립 응력을 발생시킵니다. 조립 응력의 크기는 간섭 맞춤, 디스크와 샤프트의 크기 및 재료에 따라 달라지며 디스크의 다른 하중과 관련이 있습니다. 예를 들어, 원심 하중과 온도 응력의 존재는 디스크의 중심 구멍을 확대하고 간섭을 줄이며 따라서 조립 응력을 줄입니다.

위에서 언급한 하중 중 질량 원심력과 열 하중이 주요 구성 요소입니다. 강도를 계산할 때 회전 속도와 온도의 다음 조합을 고려해야 합니다.

비행 범위에 명시된 각 강도 계산 지점의 속도와 해당 지점의 온도장;

최대 열 부하 지점에서의 정상 상태 온도장 또는 비행 중 최대 온도 차이와 최대 허용 정상 상태 작동 속도, 또는 비행 중 최대 허용 정상 상태 작동 속도에 도달했을 때의 해당 정상 상태 온도장.

대부분의 엔진의 경우 이륙은 종종 가장 심각한 응력 상태이므로 이륙 중의 과도 온도장(최대 온도 차이에 도달할 때)과 이륙 중의 최대 작동 속도의 조합을 고려해야 합니다.