Charakterystyki obciążeniowe i stan obliczeniowy tarcz sprężarek i turbin silników lotniczych

Charakterystyki obciążeniowe i stan obliczeniowy tarcz sprężarek i turbin silników lotniczych

Chociaż istnieją różnice w funkcjach i strukturach wirników sprężarek i turbin, pod względem wytrzymałości warunki pracy kół obu są mniej więcej takie same. Jednak tarcza turbiny ma wyższą temperaturę, co oznacza, że ​​środowisko pracy tarczy turbiny jest bardziej surowe.

Obciążenia przenoszone przez tarczę sprężarki lub tarczę turbiny silnika lotniczego są następujące:

1. Masa Siła odśrodkowa

Wirnik musi wytrzymać siłę odśrodkową łopatek i samego wirnika spowodowaną obrotem wirnika. W obliczeniach wytrzymałościowych należy uwzględnić następujące warunki prędkości:

Ustalona prędkość robocza w punkcie obliczeń wytrzymałościowych określonym w obrębie obwiedni lotu;

Maksymalna dopuszczalna prędkość robocza w stanie ustalonym określona w specyfikacji modelu;

115% i 122% maksymalnej dopuszczalnej ustalonej prędkości roboczej.

Ostrza, blokady, przegrody, śruby, nakrętki i wkręty zamontowane na tarczy znajdują się na krawędzi tarczy koła. Zazwyczaj zewnętrzna krawędź tarczy koła znajduje się na dole rowka. Zakładając, że obciążenia te są równomiernie rozłożone na powierzchni zewnętrznej krawędzi tarczy koła, równomierne obciążenie wynosi:

Gdzie F jest sumą wszystkich obciążeń zewnętrznych, R jest promieniem zewnętrznego okręgu koła, a H jest osiową szerokością zewnętrznej krawędzi koła.

Jeżeli dno rowka czopa i gniazda jest równoległe do osi obrotu tarczy koła, promień zewnętrznej krawędzi przyjmuje się jako promień położenia, w którym znajduje się dno rowka; jeżeli dno rowka czopa i gniazda ma kąt nachylenia w kierunku promieniowym do osi obrotu tarczy koła, promień zewnętrznej krawędzi przyjmuje się w przybliżeniu jako średnią wartość promieni dna rowka przedniej i tylnej krawędzi.

2. Obciążenie termiczne

Tarcza koła musi wytrzymać obciążenie cieplne spowodowane nierównomiernym nagrzewaniem. W przypadku tarczy sprężarki obciążenie cieplne można generalnie zignorować. Jednak wraz ze wzrostem całkowitego współczynnika sprężania silnika i prędkości lotu, przepływ powietrza wylotowego sprężarki osiągnął bardzo wysoką temperaturę. Dlatego obciążenie cieplne tarcz przed i za sprężarką czasami nie jest pomijalne. W przypadku tarczy turbiny naprężenie cieplne jest najważniejszym czynnikiem wpływającym po sile odśrodkowej. Podczas obliczeń należy wziąć pod uwagę następujące typy pól temperatury:

Pole temperatury stanu ustalonego dla każdego obliczenia wytrzymałości określonego w obwiedni lotu;

Stałe pole temperatur w typowym cyklu lotu;

Pole temperatury przejścia w typowym cyklu lotu.

Podczas szacowania, jeśli nie można w pełni podać oryginalnych danych i nie ma zmierzonej temperatury jako odniesienia, parametry przepływu powietrza w stanie projektowym i stanie najwyższego obciążenia cieplnego mogą być użyte do oszacowania. Wzór empiryczny do szacowania pola temperatury na dysku jest następujący:

We wzorze T to temperatura przy żądanym promieniu, T0 to temperatura w środkowym otworze dysku, Tb to temperatura na krawędzi dysku, R to dowolny promień na dysku, a indeksy dolne 0 i b odpowiadają odpowiednio środkowemu otworowi i krawędzi.

m=2 odpowiada stopowi tytanu i stali ferrytycznej bez wymuszonego chłodzenia;

m=4 odpowiada stopowi na bazie niklu z wymuszonym chłodzeniem.

• Do tarczy sprężarki wysokociśnieniowej

Pole temperatury stanu ustalonego:

Gdy nie ma przepływu powietrza chłodzącego, można uznać, że nie ma różnicy temperatur;

W przypadku przepływu powietrza chłodzącego Tb można w przybliżeniu przyjąć jako temperaturę wylotową strumienia powietrza na każdym poziomie kanału + 15℃, a T0 można w przybliżeniu przyjąć jako temperaturę wylotową strumienia powietrza przy poziomie strumienia powietrza chłodzącego wyciągowego + 15℃.

Pole temperatury przejściowej:

Tb można w przybliżeniu przyjąć jako temperaturę wylotową każdego poziomu przepływu powietrza w kanale;

Wartość T0 można w przybliżeniu przyjąć jako 50% temperatury obręczy koła, gdy nie ma przepływu powietrza chłodzącego; gdy występuje przepływ powietrza chłodzącego, można ją w przybliżeniu przyjąć jako temperaturę wylotową stopnia ekstrakcji strumienia powietrza chłodzącego.

• Do tarczy turbiny

Pole temperatury stanu ustalonego:

Tb0 jest temperaturą przekroju poprzecznego nasady łopatki; △T to spadek temperatury czopu, który można przyjąć w przybliżeniu w następujący sposób: △T=50-100℃ gdy czop nie jest chłodzony; △T=250-300℃ gdy czop ostygnie.

Pole temperatury przejściowej:

Dysk z łopatkami chłodzącymi można oszacować następująco: gradient temperatury przejściowej = 1.75 × ustalony gradient temperatury;

Dysk bez łopatek chłodzących można oszacować następująco: gradient temperatury przejściowej = 1.3 × ustalony gradient temperatury.

3. Siła gazu (siła osiowa i obwodowa) przenoszona przez łopatki i ciśnienie gazu na przednim i tylnym końcu wirnika

• Siła gazu przenoszona przez ostrza

W przypadku łopatek sprężarki składowa siły gazu działająca na wysokość łopatki jednostki wynosi:

Osiowy:

Gdzie Zm i Q to średni promień i liczba łopatek; ρ1m i ρ2m to gęstość przepływu powietrza w przekrojach wlotowym i wylotowym; C1am i C2am to prędkość osiowa przepływu powietrza przy średnim promieniu przekrojów wlotowego i wylotowego; p1m i p2m to ciśnienie statyczne przepływu powietrza przy średnim promieniu przekrojowego wlotowego i wylotowego.

Kierunek obwodowy:

• Do łopatek turbin

Kierunek siły gazu na gaz różni się od dwóch powyższych wzorów znakiem ujemnym. Zazwyczaj występuje pewne ciśnienie w komorze między wirnikiem dwustopniowym (zwłaszcza wirnikiem sprężarki). Jeśli ciśnienie w sąsiednich przestrzeniach jest różne, na wirniku między dwiema komorami powstanie różnica ciśnień, △p=p1-p2. Generalnie, △p ma niewielki wpływ na wytrzymałość statyczną wirnika, szczególnie gdy w szprychach wirnika znajduje się otwór, △p można zignorować.

4.Moment obrotowy żyroskopu generowany podczas lotu manewrowego

W przypadku tarcz wentylatora o dużej średnicy z łopatkami należy uwzględnić wpływ momentów żyroskopowych na naprężenia zginające i odkształcenia tarczy.

5.Obciążenia dynamiczne generowane przez drgania łopatek i tarcz

Naprężenie wibracyjne generowane w dysku, gdy łopatki i dyski drgają, powinno być nałożone na naprężenie statyczne. Ogólne obciążenia dynamiczne to:

Okresowa nierównomierna siła gazu na łopatkach. Ze względu na obecność wspornika i oddzielnej komory spalania w kanale przepływowym, przepływ powietrza jest nierównomierny wzdłuż obwodu, co powoduje okresową niezrównoważoną siłę wzbudzającą gaz na łopatkach. Częstotliwość tej siły wzbudzającej wynosi: Hf = ωm. Wśród nich, ω jest prędkością wirnika silnika, a m jest liczbą wsporników lub komór spalania.

Okresowe, nierównomierne ciśnienie gazu na powierzchni dysku.

Siła wzbudzająca przekazywana na dysk poprzez połączony wał, pierścień łączący lub inne części. Jest to spowodowane brakiem równowagi układu wału, co powoduje drgania całej maszyny lub układu wirnika, wprawiając w drgania połączony dysk.

Pomiędzy łopatkami turbiny wielowirnikowej występują złożone siły interferencyjne, które wpływają na drgania układu tarcz i płyt.

Drgania sprzęgania dysków. Drgania sprzęgania krawędzi dysków są związane z wrodzonymi cechami drgań układu dysków. Gdy siła wzbudzająca działająca na układ dysków jest bliska pewnego rzędu częstotliwości dynamicznej układu, układ będzie rezonował i generował naprężenie wibracyjne.

6.Naprężenie montażowe na połączeniu tarczy z wałem

Dopasowanie interferencyjne między tarczą a wałem wygeneruje naprężenie montażowe na tarczy. Wielkość naprężenia montażowego zależy od dopasowania interferencyjnego, rozmiaru i materiału tarczy oraz wału i jest związana z innymi obciążeniami na tarczy. Na przykład istnienie obciążenia odśrodkowego i naprężenia temperaturowego powiększy otwór centralny tarczy, zmniejszy interferencję, a tym samym zmniejszy naprężenie montażowe.

Spośród wyżej wymienionych obciążeń głównymi składnikami są siła odśrodkowa masy i obciążenie cieplne. Przy obliczaniu wytrzymałości należy wziąć pod uwagę następujące kombinacje prędkości obrotowej i temperatury:

Prędkość każdego punktu obliczeniowego wytrzymałości określonego w obwiedni lotu i pole temperatury w odpowiadającym mu punkcie;

Ustalone pole temperatury w punkcie maksymalnego obciążenia cieplnego lub maksymalna różnica temperatur w locie i maksymalna dopuszczalna ustalona prędkość robocza, lub odpowiadające mu ustalone pole temperatury, gdy w locie osiągnięta zostanie maksymalna dopuszczalna ustalona prędkość robocza.

W przypadku większości silników start jest często stanem największych naprężeń, dlatego należy wziąć pod uwagę kombinację przejściowego pola temperatury podczas startu (gdy osiągnięta zostaje maksymalna różnica temperatur) i maksymalnej prędkości roboczej podczas startu.