Características de carga e estado de cálculo dos discos do compressor e da turbina dos motores de aeronaves

Características de carga e estado de cálculo dos discos do compressor e da turbina dos motores de aeronaves

Embora existam diferenças nas funções e estruturas dos rotores do compressor e da turbina, em termos de resistência, as condições de trabalho das rodas 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 de aeronave são as seguintes:

1. Força centrífuga de massa

O impulsor deve suportar a força centrífuga das lâminas e do próprio impulsor causada pela rotação do rotor. As seguintes condições de velocidade devem ser consideradas no cálculo da resistência:

Velocidade operacional em estado estacionário no ponto de cálculo de força especificado dentro do envelope de voo;

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

115% e 122% da velocidade operacional máxima permitida em estado estacionário.

As lâminas, travas, defletores, parafusos, porcas e parafusos instalados no disco estão todos localizados na borda do disco da roda. Normalmente, a borda externa do disco da roda está na parte inferior da ranhura. Supondo que essas cargas sejam 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 a parte inferior da ranhura de encaixe e espiga é paralela ao eixo de rotação do disco da roda, o raio da borda externa é considerado o raio da posição onde a parte inferior da ranhura está localizada; quando a parte inferior da ranhura de encaixe e espiga tem um ângulo de inclinação na direção radial com o eixo de rotação do disco da roda, o raio da borda externa é aproximadamente considerado o valor médio dos raios inferiores das ranhuras das bordas dianteira e traseira.

2. Carga térmica

O disco da roda tem que suportar a carga térmica causada pelo aquecimento desigual. Para o disco do compressor, a carga térmica pode geralmente ser ignorada. No entanto, com o aumento da taxa de pressão total do motor e da velocidade de voo, o fluxo de ar de 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 estresse 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 estado estacionário para cada cálculo de força especificado no envelope de voo;

Campo de temperatura em estado estacionário em um ciclo de voo típico;

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

Ao estimar, se os dados originais não puderem ser totalmente fornecidos e não houver temperatura medida para referência, os parâmetros de fluxo de ar sob o estado de projeto e o estado de carga de calor mais alto podem ser usados ​​para estimativa. A fórmula empírica para estimar o campo de temperatura no disco é:

Na fórmula, T é a temperatura no raio necessário, T0 é a temperatura no furo 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 furo central e à borda, respectivamente.

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

m=4 corresponde à liga à base de níquel com resfriamento forçado.

• Para disco compressor de alta pressão

Campo de temperatura em estado estacionário:

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 do fluxo de ar de resfriamento de extração + 15℃.

Campo de temperatura transitória:

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

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

• Para disco de turbina

Campo de temperatura em estado estacionário:

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

Campo de temperatura transitória:

O disco com lâminas de resfriamento pode ser aproximado da seguinte forma: gradiente de temperatura transitório = 1.75 × gradiente de temperatura em estado estacionário;

O disco sem lâminas de resfriamento pode ser aproximado da seguinte forma: gradiente de temperatura transitório = 1.3 × gradiente de temperatura em estado estacionário.

3. Força do gás (força axial e circunferencial) transmitida pelas lâminas e pressão do gás nas extremidades dianteira e traseira do impulsor

• Força do gás transmitida pelas lâminas

Para as pás do compressor, o componente da força do gás que atua na altura da lâmina unitária é:

Axial:

Onde Zm e Q são o raio médio e o número de lâminas; ρ1m e ρ2m são a densidade do fluxo de ar nas seções de entrada e saída; C1am e C2am são a velocidade axial do fluxo de ar no raio médio das seções de entrada e saída; p1m e p2m são a pressão estática do fluxo de ar no raio médio 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 o impulsor de dois estágios (especialmente o impulsor do compressor). Se a pressão nos espaços adjacentes for diferente, uma diferença de pressão será causada no impulsor entre as duas cavidades, △p=p1-p2. Geralmente, △p tem pouco efeito na resistência estática do impulsor, especialmente quando há um furo no raio do impulsor, △p pode ser ignorado.

4.Torque giroscópico gerado durante o voo de manobra

Para discos de ventilador de grande diâmetro com pás, o efeito dos momentos giroscópicos na tensão de flexão e na deformação do disco deve ser considerado.

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

O estresse de vibração gerado no disco quando as lâminas e os discos vibram deve ser sobreposto ao estresse estático. As cargas dinâmicas gerais são:

A força periódica não uniforme do gás nas lâminas. 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 de excitação periódica desequilibrada do gás nas lâminas. A frequência dessa força de excitação é: Hf = ωm. Entre eles, ω é a velocidade do rotor do motor e m é o número de suportes ou câmaras de combustão.

A pressão periódica não uniforme do gás na superfície do disco.

A força excitante 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 do rotor, fazendo com que o disco conectado vibre junto.

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

Vibração de acoplamento de disco. A vibração de acoplamento de borda de disco está relacionada às características de vibração inerentes do sistema de disco. Quando a força de excitação no sistema de disco está próxima de uma certa ordem de frequência dinâmica do sistema, o sistema ressoará e gerará estresse de vibração.

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

O ajuste de interferência entre o disco e o eixo gerará tensão de montagem no disco. A magnitude da tensão de montagem depende do ajuste de interferência, do tamanho e do material do disco e do eixo, e está relacionada a outras cargas no disco. Por exemplo, a existência de carga centrífuga e tensão de temperatura aumentará o furo central do disco, reduzirá a interferência e, portanto, reduzirá a tensão de montagem.

Entre as cargas acima mencionadas, 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 de cálculo de força especificado no envelope de voo e o campo de temperatura no ponto correspondente;

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

Para a maioria dos motores, a decolagem costuma ser o pior estado de estresse, portanto, a combinação do campo de temperatura transitória durante a decolagem (quando a diferença máxima de temperatura é atingida) e a velocidade máxima de operação durante a decolagem deve ser considerada.