Caracteristicile de încărcare și starea de calcul a discurilor de compresor și turbine ale motoarelor de aeronave

Caracteristicile de încărcare și starea de calcul a discurilor de compresor și turbine ale motoarelor de aeronave

Deși există diferențe în funcțiile și structurile rotoarelor compresorului și turbinei, în ceea ce privește rezistența, condițiile de lucru ale roților celor două sunt aproximativ aceleași. Cu toate acestea, discul turbinei este la o temperatură mai mare, ceea ce înseamnă că mediul de lucru al discului turbinei este mai dur.

Sarcinile suportate de discul compresorului sau discul turbină al unui motor de aeronavă sunt următoarele:

1. Forța centrifugă de masă

Rotorul trebuie să reziste la forța centrifugă a palelor și a rotorului în sine cauzată de rotația rotorului. Următoarele condiții de viteză trebuie luate în considerare în calculul rezistenței:

Viteza de funcționare în regim de echilibru la punctul de calcul al puterii specificat în anvelopa de zbor;

Viteza maximă permisă de funcționare în regim de echilibru specificată în specificația modelului;

115% și 122% din viteza maximă permisă de funcționare în regim permanent.

Lamele, încuietorile, deflectoarele, șuruburile, piulițele și șuruburile instalate pe disc sunt toate situate la marginea discului roții. De obicei, marginea exterioară a discului roții se află în partea de jos a canelurii. Presupunând că aceste sarcini sunt distribuite uniform pe suprafața marginii exterioare a discului roții, sarcina uniformă este:

Unde F este suma tuturor sarcinilor externe, R este raza cercului exterior al roții și H este lățimea axială a marginii exterioare a roții.

Atunci când partea inferioară a canelurii pentru mortare și țevi este paralelă cu axa de rotație a discului roții, raza marginii exterioare este considerată raza poziției în care se află fundul canelurii; atunci când partea inferioară a canelurii pentru mortare și grindă are un unghi de înclinare în direcția radială cu axa de rotație a discului roții, raza marginii exterioare este luată aproximativ ca valoare medie a razelor inferioare ale canelurii marginii din față și din spate.

2. Sarcina termica

Discul roții trebuie să suporte sarcina termică cauzată de încălzirea neuniformă. Pentru discul compresorului, sarcina termică poate fi în general ignorată. Cu toate acestea, odată cu creșterea raportului de presiune totală a motorului și a vitezei de zbor, debitul de aer de ieșire a compresorului a atins o temperatură foarte ridicată. Prin urmare, sarcina termică a discurilor înainte și după compresor nu este uneori de neglijat. Pentru discul turbinei, stresul termic este cel mai important factor de influență după forța centrifugă. Următoarele tipuri de câmpuri de temperatură trebuie luate în considerare în timpul calculului:

Câmp de temperatură la starea de echilibru pentru fiecare calcul al puterii specificat în plicul de zbor;

Câmp de temperatură la starea de echilibru într-un ciclu tipic de zbor;

Câmp de temperatură de tranziție într-un ciclu de zbor tipic.

La estimare, dacă datele originale nu pot fi furnizate pe deplin și nu există o temperatură măsurată pentru referință, pot fi utilizați pentru estimare parametrii fluxului de aer din starea de proiectare și cea mai mare stare de încărcare termică. Formula empirică pentru estimarea câmpului de temperatură de pe disc este:

În formulă, T este temperatura de la raza necesară, T0 este temperatura de la gaura centrală a discului, Tb este temperatura de la marginea discului, R este o rază arbitrară a discului, iar indicele 0 și b corespund găurii centrale și, respectiv, marginii.

m=2 corespunde aliajului de titan și oțelului feritic fără răcire forțată;

m=4 corespunde aliajului pe bază de nichel cu răcire forțată.

• Pentru disc compresor de înaltă presiune

Câmp de temperatură la starea de echilibru:

Când nu există un flux de aer de răcire, se poate considera că nu există diferență de temperatură;

Când există un flux de aer de răcire, Tb poate fi luat aproximativ ca temperatura de ieșire a fluxului de aer la fiecare nivel al canalului + 15℃, iar T0 poate fi luată aproximativ ca temperatura de ieșire a fluxului de aer la nivelul fluxului de aer de răcire extracție + 15℃.

Câmp de temperatură tranzitorie:

Tb poate fi luat aproximativ ca temperatura de ieșire a fiecărui nivel de flux de aer canal;

T0 poate fi luat aproximativ ca 50% din temperatura jantei când nu există un flux de aer de răcire; când există un flux de aer de răcire, acesta poate fi luat aproximativ ca temperatura de ieșire a etapei de extracție a fluxului de aer de răcire.

• Pentru disc de turbină

Câmp de temperatură la starea de echilibru:

Tb0 este temperatura secțiunii transversale a rădăcinii lamei; △T este scăderea de temperatură a tenonului, care poate fi luată aproximativ după cum urmează: △T=50-100℃ când grindul nu este răcit; △T=250-300℃ când grindul este răcit.

Câmp de temperatură tranzitorie:

Discul cu palete de răcire poate fi aproximat astfel: gradient de temperatură tranzitoriu = 1.75 × gradient de temperatură în stare de echilibru;

Discul fără pale de răcire poate fi aproximat astfel: gradient de temperatură tranzitoriu = 1.3 × gradient de temperatură la starea de echilibru.

3. Forța gazului (forța axială și circumferențială) transmisă de palete și presiunea gazului pe capetele din față și din spate ale rotorului

• Forța de gaz transmisă de lame

Pentru paletele compresorului, componenta forței gazului care acționează asupra înălțimii paletei unității este:

Axial:

Unde Zm și Q sunt raza medie și numărul de lame; ρ1m și ρ2m sunt densitatea fluxului de aer la secțiunile de intrare și de evacuare; C1am și C2am sunt viteza axială a fluxului de aer la raza medie a secțiunilor de intrare și de evacuare; p1m și p2m sunt presiunea statică a fluxului de aer la raza medie a secțiunilor de intrare și de evacuare.

Direcția circumferențială:

• Pentru palele turbinei

Direcția forței gazului asupra gazului este diferită de cele două formule de mai sus printr-un semn negativ. În general, există o anumită presiune în cavitatea dintre rotorul în două trepte (în special rotorul compresorului). Dacă presiunea în spațiile adiacente este diferită, va fi cauzată o diferență de presiune pe rotor între cele două cavități, △p=p1-p2. În general, △p are un efect redus asupra rezistenței statice a rotorului, mai ales când există o gaură în spița rotorului, △p poate fi ignorat.

4.Cuplul giroscopic generat în timpul zborului de manevră

Pentru discurile de ventilator cu diametru mare cu palete de ventilator, trebuie luat în considerare efectul momentelor giroscopice asupra tensiunii de încovoiere și a deformării discului.

5.Sarcini dinamice generate de vibrațiile lamei și discului

Tensiunea de vibrație generată în disc atunci când lamele și discurile vibrează ar trebui să fie suprapusă cu solicitarea statică. Sarcinile dinamice generale sunt:

Forța periodică neuniformă a gazului asupra lamelor. Datorită prezenței suportului și a camerei de ardere separate în canalul de curgere, fluxul de aer este neuniform de-a lungul circumferinței, ceea ce produce o forță de excitare periodică a gazului dezechilibrat asupra lamelor. Frecvența acestei forțe de excitare este: Hf = ωm. Printre ei, ω este turația rotorului motorului și m este numărul de console sau camere de ardere.

Presiunea periodică neuniformă a gazului pe suprafața discului.

Forța de excitare transmisă discului prin arborele conectat, inelul de legătură sau alte părți. Acest lucru se datorează dezechilibrului sistemului arborelui, care provoacă vibrația întregii mașini sau a sistemului rotorului, conducând astfel discul conectat să vibreze împreună.

Există forțe complexe de interferență între paletele turbinei cu mai multe rotoare, care vor afecta vibrația sistemului de discuri și plăci.

Vibrația cuplajului discului. Vibrația de cuplare a marginii discului este legată de caracteristicile de vibrație inerente ale sistemului de discuri. Când forța de excitare a sistemului de disc este aproape de un anumit ordin de frecvență dinamică a sistemului, sistemul va rezona și va genera stres de vibrație.

6.Tensiunea de asamblare la legătura dintre disc și arbore

Potrivirea prin interferență între disc și arbore va genera stres de asamblare pe disc. Mărimea tensiunii de asamblare depinde de potrivirea prin interferență, dimensiunea și materialul discului și a arborelui și este legată de alte sarcini pe disc. De exemplu, existența sarcinii centrifuge și a tensiunii de temperatură va mări orificiul central al discului, va reduce interferența și, astfel, va reduce solicitarea de asamblare.

Dintre sarcinile menționate mai sus, forța centrifugă de masă și sarcina termică sunt componentele principale. La calcularea rezistenței, trebuie luate în considerare următoarele combinații de viteză de rotație și temperatură:

Viteza fiecărui punct de calcul al puterii specificat în plicul de zbor și câmpul de temperatură în punctul corespunzător;

Câmpul de temperatură în regim staționar la punctul maxim de încărcare termică sau diferența maximă de temperatură în zbor și viteza maximă de funcționare în regim de echilibru sau câmpul de temperatură în regim de echilibru corespunzător atunci când viteza maximă de funcționare în regim de echilibru este atinsă în zbor.

Pentru majoritatea motoarelor, decolarea este adesea cea mai gravă stare de stres, așa că trebuie luată în considerare combinația dintre câmpul de temperatură tranzitoriu în timpul decolării (când se atinge diferența maximă de temperatură) și viteza maximă de funcționare în timpul decolării.