Belastingkarakteristieken en berekeningsstatus van compressor- en turbineschijven van vliegtuigmotoren

Belastingkarakteristieken en berekeningsstatus van compressor- en turbineschijven van vliegtuigmotoren

Hoewel er verschillen zijn in de functies en structuren van compressor- en turbinerotoren, zijn de werkomstandigheden van de wielen van de twee wat betreft sterkte ongeveer hetzelfde. De turbineschijf heeft echter een hogere temperatuur, wat betekent dat de werkomgeving van de turbineschijf ruwer is.

De lasten die door de compressor- of turbineschijf van een vliegtuigmotor worden gedragen, zijn als volgt:

1. Massa centrifugale kracht

De waaier moet bestand zijn tegen de centrifugale kracht van de bladen en de waaier zelf, veroorzaakt door de rotatie van de rotor. De volgende snelheidsomstandigheden moeten in aanmerking worden genomen bij de sterkteberekening:

Stationaire bedrijfssnelheid op het sterkteberekeningspunt dat binnen de vluchtomhulling is gespecificeerd;

Maximaal toegestane stationaire bedrijfssnelheid zoals gespecificeerd in de modelspecificatie;

115% en 122% van de maximaal toegestane stationaire bedrijfssnelheid.

De messen, sloten, schotten, bouten, moeren en schroeven die op de schijf zijn geïnstalleerd, bevinden zich allemaal aan de rand van de wielschijf. Meestal bevindt de buitenrand van de wielschijf zich aan de onderkant van de groef. Ervan uitgaande dat deze belastingen gelijkmatig over het oppervlak van de buitenrand van de wielschijf zijn verdeeld, is de uniforme belasting:

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

Wanneer de onderkant van de pen-en-gat groef parallel loopt aan de rotatieas van de wielschijf, wordt de straal van de positie waar de bodem van de groef zich bevindt, beschouwd als de straal van de buitenrand. Wanneer de onderkant van de pen-en-gat groef een hellingshoek in radiale richting heeft ten opzichte van de rotatieas van de wielschijf, wordt de straal van de buitenrand bij benadering beschouwd als de gemiddelde waarde van de bodemstralen van de voor- en achterrandgroef.

2. Thermische belasting

De wielschijf moet de thermische belasting dragen die wordt veroorzaakt door ongelijkmatige verwarming. Voor de compressorschijf kan de thermische belasting over het algemeen worden genegeerd. Echter, met de toename van de totale drukverhouding van de motor en de vliegsnelheid, heeft de uitlaatluchtstroom van de compressor een zeer hoge temperatuur bereikt. Daarom is de thermische belasting van de schijven voor en na de compressor soms niet te verwaarlozen. Voor de turbineschijf is thermische spanning de belangrijkste beïnvloedende factor na de centrifugale kracht. De volgende soorten temperatuurvelden moeten worden overwogen tijdens de berekening:

Stabiele temperatuurveld voor elke sterkteberekening gespecificeerd in de vluchtomhulling;

Stabiele temperatuur in een typische vluchtcyclus;

Overgangstemperatuurveld in een typische vluchtcyclus.

Bij het schatten, als de originele data niet volledig kan worden geleverd en er geen gemeten temperatuur is voor referentie, kunnen de luchtstroomparameters onder de ontwerpstatus en de hoogste warmtebelastingstatus worden gebruikt voor de schatting. De empirische formule voor het schatten van het temperatuurveld op de schijf is:

In de formule is T de temperatuur bij de gewenste straal, T0 de temperatuur bij het middelste gat van de schijf, Tb de temperatuur bij de rand van de schijf, R een willekeurige straal op de schijf en de subscripten 0 en b komen respectievelijk overeen met het middelste gat en de rand.

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

m=4 komt overeen met een nikkellegering met geforceerde koeling.

• Voor hogedrukcompressorschijf

Stabiele temperatuurveld:

Wanneer er geen koelende luchtstroom is, kan worden aangenomen dat er geen temperatuurverschil is;

Wanneer er sprake is van een verkoelende luchtstroom, kan Tb bij benadering worden genomen als de uitlaattemperatuur van de luchtstroom op elk niveau van het kanaal + 15℃, en T0 kan bij benadering worden genomen als de uitlaattemperatuur van de luchtstroom op het niveau van de extractiekoelluchtstroom + 15℃.

Transiënt temperatuurveld:

Tb kan bij benadering worden genomen als de uitlaattemperatuur van elk niveau van de kanaalluchtstroom;

T0 kan bij benadering worden gesteld op 50% van de temperatuur van de velg wanneer er geen koelluchtstroom is. Wanneer er wel koelluchtstroom is, kan dit bij benadering worden gesteld op de uitlaattemperatuur van de extractiefase van de koelluchtstroom.

• Voor turbine schijf

Stabiele temperatuurveld:

Tb0 is de dwarsdoorsnedetemperatuur van de bladwortel; △T is de temperatuurdaling van de pen, die bij benadering als volgt kan worden genomen: △T=50-100℃ wanneer de pen niet is afgekoeld; △T=250-300℃ wanneer de pen is afgekoeld.

Transiënt temperatuurveld:

De schijf met koelbladen kan als volgt worden benaderd: transiënte temperatuurgradiënt = 1.75 × stationaire temperatuurgradiënt;

De schijf zonder koelbladen kan als volgt worden benaderd: transiënte temperatuurgradiënt = 1.3 × stationaire temperatuurgradiënt.

3. Gaskracht (axiale en omtrekskracht) overgebracht door de schoepen en gasdruk aan de voor- en achterkant van de waaier

• Gaskracht overgebracht door de bladen

Voor compressorbladen is de gaskrachtcomponent die op de bladhoogte van de eenheid inwerkt:

Axiaal:

Waarbij Zm en Q de gemiddelde straal en het aantal bladen zijn; ρ1m en ρ2m zijn de dichtheid van de luchtstroom bij de inlaat- en uitlaatsecties; C1am en C2am zijn de axiale snelheid van de luchtstroom bij de gemiddelde straal van de inlaat- en uitlaatsecties; p1m en p2m zijn de statische druk van de luchtstroom bij de gemiddelde straal van de inlaat- en uitlaatsecties.

Omtrekrichting:

• Voor turbinebladen

De richting van de gaskracht op het gas verschilt van de twee bovenstaande formules door een negatief teken. Er is over het algemeen een bepaalde druk in de holte tussen de tweetrapswaaier (met name de compressorwaaier). Als de druk in de aangrenzende ruimtes anders is, zal er een drukverschil ontstaan ​​op de waaier tussen de twee holtes, △p=p1-p2. Over het algemeen, △p heeft weinig effect op de statische sterkte van de waaier, vooral als er een gat in de waaierspaak zit, △p kan genegeerd worden.

4.Gyroscopisch koppel gegenereerd tijdens manoeuvrerende vlucht

Bij ventilatorbladen met een grote diameter moet rekening worden gehouden met het effect van gyroscopische momenten op de buigspanning en vervorming van de schijf.

5.Dynamische belastingen die worden gegenereerd door trillingen van bladen en schijven

De trillingsspanning die in de schijf wordt gegenereerd wanneer de bladen en schijven trillen, moet worden gesuperponeerd met de statische spanning. De algemene dynamische belastingen zijn:

De periodieke niet-uniforme gaskracht op de bladen. Door de aanwezigheid van de beugel en de aparte verbrandingskamer in het stromingskanaal is de luchtstroom ongelijkmatig langs de omtrek, wat een periodieke ongebalanceerde gasopwindende kracht op de bladen veroorzaakt. De frequentie van deze opwindende kracht is: Hf = ωm. Onder hen, ω is de snelheid van de motorrotor, en m is het aantal beugels of verbrandingskamers.

De periodieke niet-uniforme gasdruk op het schijfoppervlak.

De opwindende kracht die via de verbonden as, verbindingsring of andere onderdelen op de schijf wordt overgebracht. Dit komt door de onbalans van het assysteem, wat de trilling van de hele machine of het rotorsysteem veroorzaakt, waardoor de verbonden schijf samen trilt.

Tussen de bladen van de turbine met meerdere rotoren ontstaan ​​complexe interferentiekrachten, die van invloed zijn op de trillingen van het schijf- en plaatsysteem.

Schijfkoppelingsvibratie. De schijfrandkoppelingsvibratie is gerelateerd aan de inherente trillingskarakteristieken van het schijfsysteem. Wanneer de exciterende kracht op het schijfsysteem dicht bij een bepaalde orde van dynamische frequentie van het systeem ligt, zal het systeem resoneren en trillingsspanning genereren.

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

De perspassing tussen de schijf en de as genereert montagespanning op de schijf. De grootte van de montagespanning is afhankelijk van de perspassing, de grootte en het materiaal van de schijf en de as, en is gerelateerd aan andere belastingen op de schijf. Bijvoorbeeld, het bestaan ​​van centrifugale belasting en temperatuurspanning zal het middelste gat van de schijf vergroten, de interferentie verminderen en dus de montagespanning verminderen.

Van de hierboven genoemde belastingen zijn massacentrifugale kracht en thermische belasting de belangrijkste componenten. Bij het berekenen van de sterkte moeten de volgende combinaties van rotatiesnelheid en temperatuur in overweging worden genomen:

De snelheid van elk sterkteberekeningspunt gespecificeerd in de vluchtomhulling en het temperatuurveld op het overeenkomstige punt;

Het stationaire temperatuurveld bij het punt van maximale warmtebelasting of het maximale temperatuurverschil tijdens de vlucht en de maximaal toegestane stationaire bedrijfssnelheid, of het overeenkomstige stationaire temperatuurveld wanneer de maximaal toegestane stationaire bedrijfssnelheid tijdens de vlucht wordt bereikt.

Voor de meeste motoren is het opstijgen vaak de zwaarste stresstoestand. Daarom moet rekening worden gehouden met de combinatie van het transiënte temperatuurveld tijdens het opstijgen (wanneer het maximale temperatuurverschil wordt bereikt) en de maximale bedrijfssnelheid tijdens het opstijgen.