Características de carga e status de cálculo dos discos de compressores e turbinas de motores aeronáuticos

Características de carga e status de cálculo dos discos de compressores e turbinas de motores aeronáuticos

Embora existam diferenças nas funções e estruturas dos rotores do compressor e da turbina, em termos de resistência, as condições de trabalho das pás dos dois são aproximadamente as mesmas. No entanto, o disco da turbina está em uma temperatura mais alta, o que significa que o ambiente de trabalho do disco da turbina é mais severo.

As cargas suportadas pelo disco do compressor ou disco da turbina de um motor aeronáutico são as seguintes:

1. Força Centrífuga de Massa

A centrífuga deve suportar a força centrífuga gerada pelas pás e pela própria centrífuga devido à rotação do rotor. As seguintes condições de velocidade devem ser consideradas no cálculo de resistência:

Velocidade de operação em regime estacionário no ponto de cálculo de resistência especificado dentro do envelope de voo;

Velocidade máxima de operação em regime estacionário especificada na especificação do modelo;

115% e 122% da velocidade máxima de operação em regime estacionário permitida.

As pás, trancas, difusores, parafusos, porcas e pregos instalados no disco estão todos localizados na borda da roda. Normalmente, a borda externa do disco da roda está na parte inferior da ranhura. Supondo que essas cargas estejam distribuídas uniformemente na superfície da borda externa do disco da roda, a carga uniforme é:

Onde F é a soma de todas as cargas externas, R é o raio do círculo externo da roda e H é a largura axial da borda externa da roda.

Quando o fundo da ranhura de encaixe está paralelo ao eixo de rotação do disco da roda, o raio da borda externa é tomado como o raio da posição onde se encontra o fundo da ranhura; quando o fundo da ranhura de encaixe tem um ângulo de inclinação na direção radial com o eixo de rotação do disco da roda, o raio da borda externa é aproximadamente tomado como o valor médio dos raios do fundo da ranhura das bordas frontal e traseira.

2. Carga Térmica

O disco da roda deve suportar a carga térmica causada pelo aquecimento desuniforme. Para o disco do compressor, a carga térmica pode geralmente ser ignorada. No entanto, com o aumento da razão de pressão total do motor e da velocidade de voo, o fluxo de ar na saída do compressor atingiu uma temperatura muito alta. Portanto, a carga térmica dos discos antes e depois do compressor às vezes não é desprezível. Para o disco da turbina, o esforço térmico é o fator de influência mais importante após a força centrífuga. Os seguintes tipos de campos de temperatura devem ser considerados durante o cálculo:

Campo de temperatura em regime para cada cálculo de resistência especificado no envelope de voo;

Campo de temperatura em regime em um ciclo típico de voo;

Campo de temperatura de transição em um ciclo típico de voo.

Ao estimar, se os dados originais não puderem ser fornecidos integralmente e não houver temperatura medida para referência, os parâmetros de fluxo de ar no estado de projeto e no estado de maior carga térmica podem ser usados para estimação. A fórmula empírica para estimar o campo de temperatura no disco é:

Na fórmula, T é a temperatura no raio desejado, T0 é a temperatura no orifício central do disco, Tb é a temperatura na borda do disco, R é um raio arbitrário no disco, e os subscritos 0 e b correspondem ao orifício central e à borda, respectivamente.

m=2 corresponde a liga de titânio e aço ferrítico sem resfriamento forçado;

m=4 corresponde a liga baseada em níquel com resfriamento forçado.

• Para disco de compressor de alta pressão

Campo de temperatura em regime permanente:

Quando não há fluxo de ar de resfriamento, pode-se considerar que não há diferença de temperatura;

Quando há fluxo de ar de resfriamento, Tb pode ser aproximadamente considerado como a temperatura de saída do fluxo de ar em cada nível do canal + 15 ℃ , e T0 pode ser aproximadamente considerado como a temperatura de saída do fluxo de ar no nível de resfriamento de extração + 15 ℃ .

Campo de temperatura transitório:

Tb pode ser aproximadamente considerado como a temperatura de saída do fluxo de ar em cada nível do canal;

T0 pode ser aproximadamente considerado como 50% da temperatura da roda quando não há fluxo de ar de resfriamento; quando há fluxo de ar de resfriamento, pode ser aproximadamente considerado como a temperatura de saída do estágio de extração do fluxo de ar de resfriamento.

• Para o disco da turbina

Campo de temperatura em regime permanente:

Tb0 é a temperatura transversal da raiz da lâmina; △ T é a queda de temperatura do tenão, que pode ser considerada aproximadamente da seguinte forma: △ T=50-100 ℃ quando o tenão não é resfriado; △ T=250-300 ℃ quando o teso é resfriado.

Campo de temperatura transitório:

O disco com lâminas de resfriamento pode ser aproximado da seguinte forma: gradiente de temperatura transitório = 1,75 × gradiente de temperatura em regime permanente;

O disco sem lâminas de resfriamento pode ser aproximado da seguinte forma: gradiente de temperatura transitório = 1,3 × gradiente de temperatura em regime permanente.

3. Força do gás (força axial e circunferencial) transmitida pelas pás e pressão do gás nos lados frontal e traseiro da roda

• Força do gás transmitida pelas pás

Para pás de compressor, o componente da força do gás que atua na unidade de altura da pá é:

Axial:

Onde Zm e Q são o raio médio e o número de lâminas; ρ 1m e ρ 2m são a densidade do fluxo de ar nas seções de entrada e saída; C1am e C2am são as velocidades axiais do fluxo de ar nos raios médios das seções de entrada e saída; p1m e p2m são as pressões estáticas do fluxo de ar nos raios médios das seções de entrada e saída.

Direção circunferencial:

• Para lâminas de turbina

A direção da força do gás sobre o gás é diferente das duas fórmulas acima por um sinal negativo. Geralmente, há uma certa pressão na cavidade entre as duas etapas da rotação (especialmente para a rotação do compressor). Se a pressão nos espaços adjacentes for diferente, causará uma diferença de pressão na rotação entre as duas cavidades, △ p = p1 - p2. Geralmente, △ p tem pouca influência na resistência estática da rotação, especialmente quando há um orifício no espelho da rotação, △ p pode ser ignorado.

4.Torque gyroscópico gerado durante o voo de manobra

Para discos de ventilador de grande diâmetro com pás, o efeito dos momentos gyroscópicos no esforço de flexão e na deformação do disco deve ser considerado.

5.Cargas dinâmicas geradas pela vibração da pá e do disco

O esforço de vibração gerado no disco quando as pás e os discos vibram deve ser superposto ao esforço estático. As cargas dinâmicas gerais são:

A força gasosa periódica não uniforme nas pás. Devido à presença do suporte e da câmara de combustão separada no canal de fluxo, o fluxo de ar é irregular ao longo da circunferência, o que produz uma força gasosa excitadora periódica e desequilibrada nas pás. A frequência desta força excitadora é: Hf = ω m. Entre eles, ω é a velocidade do rotor do motor, e m é o número de suportes ou câmaras de combustão.

A pressão gasosa periódica não uniforme na superfície do disco.

A força excitadora transmitida ao disco através do eixo conectado, anel de conexão ou outras partes. Isso se deve ao desequilíbrio do sistema de eixo, que causa a vibração de toda a máquina ou do sistema rotor, levando assim o disco conectado a vibrar em conjunto.

Existem forças de interferência complexas entre as pás da turbina multi-rotor, que afetarão a vibração do sistema de disco e placa.

Vibração acoplada do disco. A vibração acoplada na borda do disco está relacionada às características de vibração inerentes do sistema de disco. Quando a força excitadora no sistema de disco está próxima a uma certa ordem de frequência dinâmica do sistema, o sistema entrará em ressonância e gerará estresse de vibração.

6.Estresse de montagem na conexão entre o disco e o eixo

A ajuste por interferência entre o disco e o eixo gerará tensão de montagem no disco. A magnitude da tensão de montagem depende do ajuste por interferência, do tamanho e material do disco e do eixo, e está relacionada a outras cargas sobre o disco. Por exemplo, a existência de carga centrífuga e tensão térmica aumentará o orifício central do disco, reduzirá a interferência e, assim, diminuirá a tensão de montagem.

Entre as cargas mencionadas acima, a força centrífuga de massa e a carga térmica são os principais componentes. Ao calcular a resistência, as seguintes combinações de velocidade de rotação e temperatura devem ser consideradas:

A velocidade de cada ponto especificado no envelope de voo para cálculo de resistência e o campo de temperatura no ponto correspondente;

O campo de temperatura em regime permanente no ponto de carga térmica máxima ou a diferença de temperatura máxima durante o voo e a velocidade operacional máxima permitida em regime permanente, ou o correspondente campo de temperatura em regime permanente quando a velocidade operacional máxima permitida em regime permanente é atingida durante o voo.

Para a maioria dos motores, a decolagem frequentemente é o pior estado de estresse, então deve-se considerar a combinação do campo de temperatura transitório durante a decolagem (quando a diferença de temperatura máxima é alcançada) e a velocidade operacional máxima durante a decolagem.