Belastingskenmerken en berekeningsstatus van compressor- en turbine-schijven van vliegtuigmotoren

Belastingskenmerken en berekeningsstatus van compressor- en turbine-schijven van vliegtuigmotoren

Hoewel er verschillen zijn in de functies en structuren van compressor- en turbineassen, wat betreft sterkte zijn de werkcondities van de schijven van beide ongeveer hetzelfde. De turbineschijf heeft echter een hogere temperatuur, wat betekent dat de werkomstandigheden voor de turbineschijf strenger zijn.

De belastingen die door de compressorschijf of turbineschijf van een vliegtuigmotor worden gedragen zijn als volgt:

1. Massa Centrifugale Kracht

De impeller moet de centrifugale kracht weerstaan van de bladen en de impeller zelf, veroorzaakt door de rotatie van de as. De volgende snelheidsvoorwaarden moeten worden overwogen bij de berekening van de sterkte:

Steady-state draaisnelheid op het in de vluchtomvang gespecificeerde sterkteberekeningspunt;

Maximale toegestane steady-state draaisnelheid zoals gespecificeerd in het typecertificaat;

115% en 122% van de maximale toegestane steady-state draaisnelheid.

De scherpen, sloten, doolhoven, bouten, moeren en schroeven die op de schijf zijn gemonteerd, bevinden zich allemaal aan de rand van de wielplaat. Meestal is de buitenrand van de wielplaat gelegen in de bodem van de gleuf. Indien deze belastingen gelijkmatig over het oppervlak van de buitenrand van de wielplaat zijn verdeeld, is de gelijkmatige belasting:

Waarbij F de som is van alle externe belastingen, R de straal is van de buitenste cirkel van het wiel, en H de axiale breedte is van de buitenrand van het wiel.

Wanneer de bodem van de mortise-gleuf parallel loopt met de rotatieas van de wielplaat, wordt de straal van de buitenrand genomen als de straal van de positie waarin de bodem van de gleuf zich bevindt; wanneer de bodem van de mortise-gleuf een hellingshoek heeft in radiale richting ten opzichte van de rotatieas van de wielplaat, wordt de straal van de buitenrand ongeveer genomen als het gemiddelde van de stralen van de bodems van de voorkant- en achterkantgleuven.

2. Thermische belasting

De wielplaat moet de thermische belasting door onevenmatig verwarming dragen. Voor de compressorplaat kan de thermische belasting doorgaans genegeerd worden. Met de toename van het totale drukverhoudingsniveau van de motor en de vluchtvaart heeft de uitstroomlucht van de compressor echter een zeer hoge temperatuur bereikt. Daarom is de thermische belasting van de platen voor en na de compressor soms niet te verwaarlozen. Voor de turbineplaat is thermische spanning na centrifugale kracht de belangrijkste invloedsfactor. De volgende typen temperatuurvelden moeten in rekening gebracht worden tijdens de berekening:

Stationaire temperatuurvlak voor elke sterkteberekening die in het vluchtenveloppe gespecificeerd is;

Stationaire temperatuurvlak in een typische vluchtcyclus;

Transitietermperatuurvlak in een typische vluchtcyclus.

Bij het schatten, als de oorspronkelijke gegevens niet volledig kunnen worden verstrekt en er geen gemeten temperatuur beschikbaar is om mee te refereren, kunnen de luchtvloerparameters in de ontwerptoestand en in de toestand met de hoogste warmtelast gebruikt worden voor schatting. De empirische formule voor het schatten van het temperatuurveld op de schijf is:

In de formule is T de temperatuur op de vereiste straal, T0 de temperatuur in het middengat van de schijf, Tb de temperatuur aan de rand van de schijf, R een willekeurige straal op de schijf, en de subscripts 0 en b corresponderen respectievelijk met het middengat en de rand.

m=2 komt overeen met titaniumlegeringen en ferritisch staal zonder geforceerde koeling;

m=4 komt overeen met nikkelgebaseerde legeringen met geforceerde koeling.

• Voor hoge-druk compressor schijf

Statische temperatuurvelden:

Wanneer er geen koelingsluchttoevoer is, kan worden aangenomen dat er geen temperatuursverschil is;

Bij een koelingsluchtstroom kan Tb ongeveer worden genomen als de uitlaattemperatuur van de luchtstroom op elk niveau van het kanaal + 15 ℃ , en T0 kan ongeveer worden genomen als de uitlaattemperatuur van de luchtstroom op het niveau van de koelingsextractie + 15 ℃ .

Tijdelijk temperatuurveld:

Tb kan ongeveer worden genomen als de uitlaattemperatuur van de luchtstroom op elk niveau van het kanaal;

T0 kan ongeveer worden genomen als 50% van de wielrandtemperatuur bij afwezigheid van een koelingsluchtstroom; bij aanwezigheid van een koelingsluchtstroom kan het ongeveer worden genomen als de uitlaattemperatuur van het extractieniveau van de koelingsluchtstroom.

• Voor turbine-schijf

Statische temperatuurvelden:

Tb0 is de doorsnede-temperatuur van de bladwortel; △ T is de temperatuurdaling van de tenon, die ongeveer als volgt kan worden genomen: △ T=50-100 ℃ wanneer de tenon niet wordt gekoeld; △ T=250-300 ℃ wanneer de tenon is afgekoeld.

Tijdelijk temperatuurveld:

De schijf met koelbladen kan als volgt worden benaderd: tijdelijke temperatuurgradiënt = 1,75 × stationaire temperatuurgradiënt;

De schijf zonder koelbladen kan als volgt worden benaderd: tijdelijke temperatuurgradiënt = 1,3 × stationaire temperatuurgradiënt.

3. Gaskracht (axiale en omtrentelijke kracht) overgedragen door de bladen en gasdruk op de voorkant en achterkant van de impeller

• Gaskracht overgedragen door de bladen

Voor compressorbladen is het gaskrachtcomponent dat werkt op eenheden bladhoogte:

Axiaal:

Waarbij Zm en Q de gemiddelde straal en het aantal bladen zijn; ρ 1m en ρ 2m de dichtheid van de luchtstroom bij de inlaat- en uitlaatsecties zijn; C1am en C2am de axiale snelheid van de luchtstroom op de gemiddelde straal van de inlaat- en uitlaatsecties zijn; p1m en p2m de statische druk van de luchtstroom op de gemiddelde straal van de inlaat- en uitlaatsecties zijn.

Omtrekkende richting:

• Voor turbinebladen

De richting van de gaskracht op het gas verschilt van de bovenstaande twee formules door een minteken. Er is doorgaans een bepaalde druk in de holte tussen de twee-stadia impulsen (vooral voor compressorimpulsen). Als de druk in de aangrenzende ruimtes verschillend is, ontstaat er een drukverschil op de impulsen tussen de twee holtes, △ p=p1-p2. Doorgaans, △ heeft p weinig invloed op de statische sterkte van de impulsen, vooral wanneer er gaten in de spaken van de impulsen zitten, △ kan p genegeerd worden.

4.Gyroscopische trillingen gegenereerd tijdens manoeuvreervlucht

Voor grote diameterventieldisken met ventielbladen dient het effect van gyroscopische momenten op de buigingsstress en vervorming van de schijf in aanmerking te worden genomen.

5.Dynamische belastingen veroorzaakt door blad- en schijftrilling

De trillingsstress die in de schijf ontstaat wanneer de bladen en schijven trillen, moet worden samengesteld met de statische stress. De algemene dynamische belastingen zijn:

De periodieke ongelijke gaskracht op de bladen. Door het aanwezig zijn van de steun en de afzonderlijke brandstofkamer in de stroomlijn is de luchtstroom langs de omtrek oneffen, wat een periodieke onbalans oplevert in de gasopwekkende kracht op de bladen. De frequentie van deze opwekkende kracht is: Hf = ω m. Daaronder valt ω de snelheid van de motorroter, en m staat voor het aantal steunen of brandstofkamers.

De periodieke ongelijke gasdruk op het schijfoppervlak.

De opwindende kracht die wordt overgedragen aan de schijf via de gekoppelde as, verbindingsring of andere onderdelen. Dit komt doordat het as systeem uit balans is, wat de trilling van de hele machine of het rotor systeem veroorzaakt, waardoor de gekoppelde schijf samen trilt.

Er zijn complexe storingkrachten tussen de bladen van de multi-rotor turbine, die de trilling van het schijf- en plaatssysteem zullen beïnvloeden.

Schijfkoppelingstrilling. De trilling aan de rand van de schijf is gerelateerd aan de intrinsieke trillingskenmerken van het schijfsysteem. Wanneer de opwindende kracht op het schijfsysteem dicht bij een bepaalde orde van dynamische frequentie van het systeem ligt, zal het systeem resoneren en trillingsstress genereren.

6.Montagespanning bij de verbinding tussen de schijf en de as

De stoelpas tussen de schijf en de as zal montagestress op de schijf genereren. De grootte van de montagestress hangt af van de stoelpas, de grootte en het materiaal van de schijf en de as, en is gerelateerd aan andere belastingen op de schijf. Bijvoorbeeld, de aanwezigheid van centrifugale belasting en temperatuurstress zal het middengat van de schijf vergroten, de stoelpas verminderen, en daarmee ook de montagestress verminderen.

Onder de genoemde belastingen zijn massa-centrifugaalkracht en thermische belasting de belangrijkste componenten. Bij het berekenen van de sterkte dienen de volgende combinaties van rotatiesnelheid en temperatuur in overweging te worden genomen:

De snelheid van elk in het vluchtomhulsel gespecificeerd sterkteberekeningpunt en het temperatuurveld bij het corresponderende punt;

Het stationaire temperatuurveld bij het punt van maximale warmtelading of het maximale temperatuursverschil tijdens de vlucht en de maximale toelaatbare stationaire werkneloodsnelheid, of het overeenkomstige stationaire temperatuurveld wanneer de maximale toelaatbare stationaire werkneloodsnelheid tijdens de vlucht wordt bereikt.

Voor de meeste motoren is opstijgen vaak de slechtste belastingsstoestand, dus de combinatie van het tijdelijke temperatuurveld tijdens het opstijgen (wanneer het maximale temperatuursverschil wordt bereikt) en de maximale werknelsnelheid tijdens het opstijgen dient in aanmerking te worden genomen.