Orlaivių variklių kompresorių ir turbinų diskų apkrovos charakteristikos ir skaičiavimo būsena

Orlaivių variklių kompresorių ir turbinų diskų apkrovos charakteristikos ir skaičiavimo būsena

Nors kompresorių ir turbinų rotorių funkcijos ir konstrukcijos skiriasi, pagal stiprumą abiejų ratų darbo sąlygos yra maždaug vienodos. Tačiau turbinos diskas yra aukštesnės temperatūros, o tai reiškia, kad turbinos disko darbo aplinka yra atšiauresnė.

Orlaivio variklio kompresoriaus disko arba turbinos disko apkrovos yra šios:

1. Masinė išcentrinė jėga

Darbaratis turi atlaikyti menčių ir paties sparnuotės išcentrinę jėgą, kurią sukelia rotoriaus sukimasis. Skaičiuojant stiprumą reikia atsižvelgti į šias greičio sąlygas:

Pastovios būsenos veikimo greitis stiprumo skaičiavimo taške, nurodytame skrydžio ribose;

Modelio specifikacijoje nurodytas didžiausias leistinas pastovios būsenos veikimo greitis;

115 % ir 122 % didžiausio leistino pastovaus veikimo greičio.

Ant disko sumontuoti peiliukai, spynos, pertvaros, varžtai, veržlės ir varžtai yra rato disko krašte. Paprastai išorinis rato disko kraštas yra griovelio apačioje. Darant prielaidą, kad šios apkrovos yra tolygiai paskirstytos ant rato disko išorinio krašto paviršiaus, vienoda apkrova yra:

Kur F yra visų išorinių apkrovų suma, R yra išorinio rato apskritimo spindulys, o H yra išorinio rato krašto ašinis plotis.

Kai griovelio ir kaiščio griovelio apačia lygiagreti rato disko sukimosi ašiai, išorinio krašto spindulys laikomas padėties, kurioje yra griovelio dugnas, spindulys; kai įdubos ir kaiščio griovelio dugnas turi pasvirimo kampą radialine kryptimi su rato disko sukimosi ašimi, išorinis briaunos spindulys apytiksliai imamas kaip vidutinė priekinio ir galinio krašto griovelio dugno spindulių vertė.

2. Šiluminė apkrova

Rato diskas turi atlaikyti šiluminę apkrovą, kurią sukelia netolygus įkaitimas. Kalbant apie kompresoriaus diską, šiluminė apkrova paprastai gali būti nepaisoma. Tačiau padidėjus bendram variklio slėgio santykiui ir skrydžio greičiui, kompresoriaus išėjimo oro srautas pasiekė labai aukštą temperatūrą. Todėl šiluminė diskų apkrova prieš ir po kompresoriaus kartais nėra nereikšminga. Turbinos diskui šiluminis įtempis yra svarbiausias įtakojantis veiksnys po išcentrinės jėgos. Skaičiuojant reikia atsižvelgti į šiuos temperatūros laukų tipus:

Pastoviosios būsenos temperatūros laukas kiekvienam stiprumo skaičiavimui, nurodytam skrydžio apvalkale;

Pastovios būsenos temperatūros laukas įprastu skrydžio ciklu;

Pereinamosios temperatūros laukas tipiškame skrydžio cikle.

Vertinant, jei negalima pateikti visų pirminių duomenų ir nėra pamatuotos temperatūros, galima naudoti oro srauto parametrus pagal projektinę būseną ir didžiausią šilumos apkrovos būseną. Temperatūros lauko disko empirinė formulė yra tokia:

Formulėje T yra temperatūra prie reikiamo spindulio, T0 yra temperatūra ties disko vidurine skyle, Tb yra temperatūra prie disko krašto, R yra savavališkas spindulys diske, o indeksai 0 ir b atitinka atitinkamai centrinę skylę ir apvadą.

m=2 atitinka titano lydinį ir feritinį plieną be priverstinio aušinimo;

m=4 atitinka nikelio pagrindo lydinį su priverstiniu aušinimu.

• Aukšto slėgio kompresoriaus diskams

Pastovios būsenos temperatūros laukas:

Kai nėra aušinimo oro srauto, galima laikyti, kad nėra temperatūrų skirtumo;

Kai yra aušinimo oro srautas, Tb galima apytiksliai paimti kaip oro srauto išleidimo temperatūrą kiekviename kanalo lygyje + 15℃, o T0 apytiksliai gali būti laikoma oro srauto išleidimo temperatūra ištraukiamo aušinimo oro srauto lygiu + 15℃.

Laikinasis temperatūros laukas:

Tb apytiksliai gali būti laikoma kiekvieno kanalo oro srauto lygio išleidimo temperatūra;

T0 gali būti apytiksliai 50% ratlankio temperatūros, kai nėra aušinimo oro srauto; kai yra aušinimo oro srautas, tai apytiksliai galima laikyti aušinimo oro srauto ištraukimo pakopos išleidimo temperatūrą.

• Turbininiam diskui

Pastovios būsenos temperatūros laukas:

Tb0 – ašmenų šaknies skerspjūvio temperatūra; △T yra kaiščio temperatūros kritimas, kurį galima apskaičiuoti maždaug taip: △T=50-100℃ kai kaištis neatvėsęs; △T=250-300℃ kai kaištis atvėsęs.

Laikinasis temperatūros laukas:

Diską su aušinimo mentėmis galima apskaičiuoti taip: trumpalaikis temperatūros gradientas = 1.75 × pastovus temperatūros gradientas;

Diską be aušinimo mentelių galima apskaičiuoti taip: trumpalaikis temperatūros gradientas = 1.3 × pastovios būsenos temperatūros gradientas.

3. Dujų jėga (ašinė ir apskritimo jėga), perduodama mentėmis, ir dujų slėgis priekiniuose ir galiniuose sparnuotės galuose

• Dujų jėga, perduodama iš ašmenų

Kompresoriaus mentėms dujų jėgos komponentas, veikiantis įrenginio menčių aukštį:

Ašinis:

kur Zm ir Q yra vidutinis spindulys ir menčių skaičius; ρ1m ir ρ2 m yra oro srauto tankis įleidimo ir išleidimo sekcijose; C1am ir C2am yra oro srauto ašinis greitis vidutiniu įleidimo ir išleidimo sekcijų spinduliu; p1m ir p2m yra statinis oro srauto slėgis vidutiniame įleidimo ir išleidimo sekcijų spindulyje.

Apskritimo kryptis:

• Turbinų mentėms

Dujų jėgos kryptis dujoms skiriasi nuo dviejų aukščiau pateiktų formulių neigiamu ženklu. Paprastai ertmėje tarp dviejų pakopų sparnuotės (ypač kompresoriaus sparnuotės) yra tam tikras slėgis. Jei slėgis gretimose erdvėse yra skirtingas, sparnuotėje tarp dviejų ertmių atsiras slėgio skirtumas, △p=p1-p2. Apskritai, △p turi mažai įtakos sparnuotės statiniam stiprumui, ypač kai sparnuotės stipine yra skylė, △p galima nepaisyti.

4.Giroskopinis sukimo momentas, sukuriamas manevrinio skrydžio metu

Didelio skersmens ventiliatoriaus diskams su ventiliatoriaus mentėmis reikia atsižvelgti į giroskopinių momentų poveikį disko lenkimo įtempimui ir deformacijai.

5.Dinaminės apkrovos, kurias sukuria ašmenų ir disko vibracija

Vibracijos įtempis, atsirandantis diske, kai vibruoja ašmenys ir diskai, turi būti padengtas statiniu įtempimu. Bendrosios dinaminės apkrovos yra šios:

Periodiškai nevienoda dujų jėga ant ašmenų. Dėl to, kad srauto kanale yra laikiklis ir atskira degimo kamera, oro srautas yra netolygus išilgai perimetro, o tai periodiškai sukuria nesubalansuotą dujų sužadinimo jėgą ant menčių. Šios jaudinančios jėgos dažnis yra: Hf = ωm. Tarp jų, ω yra variklio rotoriaus greitis, o m yra kronšteinų arba degimo kamerų skaičius.

Periodinis netolygus dujų slėgis disko paviršiuje.

Jaudinanti jėga, perduodama į diską per prijungtą veleną, jungiamąjį žiedą ar kitas dalis. Taip yra dėl veleno sistemos disbalanso, dėl kurio vibruoja visa mašina arba rotoriaus sistema, todėl prijungtas diskas vibruoja kartu.

Tarp kelių rotorių turbinos menčių yra sudėtingos trukdžių jėgos, kurios turės įtakos disko ir plokščių sistemos vibracijai.

Disko movos vibracija. Disko krašto jungties vibracija yra susijusi su būdingomis disko sistemos vibracijos savybėmis. Kai disko sistemos jaudinanti jėga yra artima tam tikrai sistemos dinaminio dažnio tvarkai, sistema rezonuos ir generuos vibracijos įtampą.

6.Montavimo įtempis disko ir veleno jungtyje

Dėl trukdžių tarpo tarp disko ir veleno sukels disko surinkimo įtampą. Surinkimo įtempio dydis priklauso nuo trukdžių, disko ir veleno dydžio bei medžiagos ir yra susijęs su kitomis disko apkrovomis. Pavyzdžiui, esant išcentrinei apkrovai ir temperatūros įtampai, padidės centrinė disko anga, sumažės trukdžiai ir taip sumažės surinkimo įtempis.

Tarp minėtų apkrovų pagrindiniai komponentai yra masės išcentrinė jėga ir šiluminė apkrova. Skaičiuojant stiprumą, reikia atsižvelgti į šiuos sukimosi greičio ir temperatūros derinius:

Kiekvieno skrydžio gaubte nurodyto stiprumo skaičiavimo taško greitis ir temperatūros laukas atitinkamame taške;

Pastoviosios būsenos temperatūros laukas didžiausios šiluminės apkrovos taške arba didžiausias temperatūros skirtumas skrydžio metu ir didžiausias leistinas pastovus veikimo greitis, arba atitinkamas pastovios būsenos temperatūros laukas, kai skrendant pasiekiamas didžiausias leistinas pastovus veikimo greitis.

Daugumai variklių kilimas dažnai yra pati blogiausia įtempių būsena, todėl reikėtų atsižvelgti į pereinamojo temperatūros lauko kilimo metu (kai pasiekiamas didžiausias temperatūrų skirtumas) ir didžiausio darbo greičio kilimo metu derinį.