Нагрузочные характеристики и расчетное состояние дисков компрессоров и турбин авиационных двигателей

Нагрузочные характеристики и расчетное состояние дисков компрессоров и турбин авиационных двигателей

Хотя существуют различия в функциях и конструкциях роторов компрессора и турбины, с точки зрения прочности условия работы колес этих двух типов примерно одинаковы. Однако диск турбины находится при более высокой температуре, что означает, что рабочая среда диска турбины более суровая.

Нагрузки, воспринимаемые диском компрессора или диском турбины авиационного двигателя, следующие:

1. Центробежная сила массы

Рабочее колесо должно выдерживать центробежную силу лопастей и самого рабочего колеса, вызванную вращением ротора. При расчете прочности следует учитывать следующие скоростные условия:

Установившаяся рабочая скорость в точке расчета прочности, заданной в пределах диапазона полетных условий;

Максимально допустимая установившаяся рабочая скорость, указанная в спецификации модели;

115% и 122% от максимально допустимой установившейся рабочей скорости.

Лопасти, замки, перегородки, болты, гайки и винты, установленные на диске, расположены на краю диска колеса. Обычно внешний край диска колеса находится на дне канавки. Предполагая, что эти нагрузки равномерно распределены по поверхности внешнего края диска колеса, равномерная нагрузка составляет:

Где F — сумма всех внешних нагрузок, R — радиус внешней окружности колеса, а H — осевая ширина внешнего края колеса.

Если дно канавки шипа и паза параллельно оси вращения диска колеса, то за радиус внешней кромки принимают радиус того места, где находится дно канавки; если дно канавки шипа и паза имеет угол наклона в радиальном направлении с осью вращения диска колеса, то за радиус внешней кромки приблизительно принимают среднее значение радиусов дна канавки переднего и заднего краев.

2. Тепловая нагрузка

Диск колеса должен выдерживать тепловую нагрузку, вызванную неравномерным нагревом. Для диска компрессора тепловую нагрузку, как правило, можно игнорировать. Однако с увеличением степени сжатия двигателя и скорости полета поток воздуха на выходе компрессора достигает очень высокой температуры. Поэтому термическая нагрузка дисков до и после компрессора иногда не является незначительной. Для диска турбины термическое напряжение является наиболее важным влияющим фактором после центробежной силы. При расчете следует учитывать следующие типы температурных полей:

Стационарное температурное поле для каждого расчета прочности, указанного в области полета;

Стационарное температурное поле в типичном полетном цикле;

Поле переходной температуры в типичном полетном цикле.

При оценке, если исходные данные не могут быть предоставлены в полном объеме и нет измеренной температуры для справки, для оценки можно использовать параметры воздушного потока в проектном состоянии и состоянии максимальной тепловой нагрузки. Эмпирическая формула для оценки температурного поля на диске:

В формуле T — температура на требуемом радиусе, T0 — температура в центральном отверстии диска, Tb — температура на ободе диска, R — произвольный радиус на диске, а индексы 0 и b соответствуют центральному отверстию и ободу соответственно.

m=2 соответствует титановому сплаву и ферритной стали без принудительного охлаждения;

m=4 соответствует сплаву на основе никеля с принудительным охлаждением.

• Для диска компрессора высокого давления

Стационарное температурное поле:

При отсутствии потока охлаждающего воздуха можно считать, что разницы температур нет;

При наличии охлаждающего воздушного потока Tb можно приблизительно принять как выходную температуру воздушного потока на каждом уровне канала + 15 ℃),, а T0 можно приблизительно принять за выходную температуру воздушного потока на уровне вытяжного охлаждающего воздушного потока + 15 ℃),.

Переходное температурное поле:

Tb можно приблизительно принять за температуру на выходе каждого уровня воздушного потока канала;

При отсутствии потока охлаждающего воздуха T0 можно приблизительно принять за 50% от температуры обода колеса; при наличии потока охлаждающего воздуха ее можно приблизительно принять за температуру на выходе ступени отбора охлаждающего воздуха.

• Для турбинного диска

Стационарное температурное поле:

Tb0 — температура поперечного сечения ножки лопатки; △T — перепад температуры шипа, который можно приблизительно определить следующим образом: △Т=50-100 ℃), когда шип не охлаждается; △Т=250-300 ℃), когда шип остынет.

Переходное температурное поле:

Диск с охлаждающими лопатками можно аппроксимировать следующим образом: переходный градиент температуры = 1.75 × установившийся градиент температуры;

Диск без охлаждающих лопаток можно аппроксимировать следующим образом: переходный градиент температуры = 1.3 × Устойчивый градиент температуры.

3. Сила газа (осевая и окружная), передаваемая лопатками, и давление газа на переднем и заднем концах рабочего колеса

• Сила газа, передаваемая от лопаток

Для лопаток компрессора составляющая силы газа, действующая на высоту лопатки агрегата, равна:

Осевой:

Где Zm и Q — средний радиус и количество лопастей; ρ1 м и ρ2m — плотность воздушного потока на входном и выходном сечениях; C1am и C2am — осевая скорость воздушного потока на среднем радиусе входного и выходного сечений; p1m и p2m — статическое давление воздушного потока на среднем радиусе входного и выходного сечений.

Окружное направление:

• Для турбинных лопаток

Направление силы газа на газ отличается от двух формул выше отрицательным знаком. Обычно существует определенное давление в полости между двухступенчатым рабочим колесом (особенно рабочим колесом компрессора). Если давление в смежных пространствах различно, то на рабочем колесе между двумя полостями возникнет разность давлений, △p=p1-p2. В общем случае, △p мало влияет на статическую прочность рабочего колеса, особенно при наличии отверстия в спице рабочего колеса, △p можно игнорировать.

4.Гироскопический момент, создаваемый при маневренном полете

Для дисков вентиляторов большого диаметра с лопатками следует учитывать влияние гироскопических моментов на изгибающие напряжения и деформации диска.

5.Динамические нагрузки, создаваемые вибрацией лопастей и дисков

Вибрационное напряжение, возникающее в диске при вибрации лопаток и дисков, должно накладываться на статическое напряжение. Общие динамические нагрузки:

Периодическая неравномерная газовая сила на лопатках. Из-за наличия кронштейна и отдельной камеры сгорания в проточном канале поток воздуха неравномерен по окружности, что создает периодическую неуравновешенную газовую возбуждающую силу на лопатках. Частота этой возбуждающей силы равна: Hf = ωм. Среди них, ω — скорость ротора двигателя, а m — количество кронштейнов или камер сгорания.

Периодическое неравномерное давление газа на поверхность диска.

Возбуждающая сила, передаваемая на диск через присоединенный вал, соединительное кольцо или другие детали. Это происходит из-за дисбаланса системы вала, что вызывает вибрацию всей машины или роторной системы, тем самым заставляя присоединенный диск вибрировать вместе.

Между лопатками многороторной турбины возникают сложные интерференционные силы, которые влияют на вибрацию системы дисков и пластин.

Вибрация сцепления диска. Вибрация сцепления края диска связана с собственными вибрационными характеристиками дисковой системы. Когда возбуждающая сила на дисковой системе близка к определенному порядку динамической частоты системы, система будет резонировать и генерировать вибрационное напряжение.

6.Монтажное напряжение в соединении между диском и валом

Посадка с натягом между диском и валом создаст монтажное напряжение на диске. Величина монтажного напряжения зависит от посадки с натягом, размера и материала диска и вала и связана с другими нагрузками на диск. Например, наличие центробежной нагрузки и температурного напряжения увеличит центральное отверстие диска, уменьшит натяг и, таким образом, уменьшит монтажное напряжение.

Среди перечисленных нагрузок основными компонентами являются массовая центробежная сила и тепловая нагрузка. При расчете прочности следует учитывать следующие комбинации скорости вращения и температуры:

Скорость каждой расчетной точки прочности, указанная в области полета, и поле температур в соответствующей точке;

Установившееся температурное поле в точке максимальной тепловой нагрузки или максимальная разность температур в полете и максимально допустимая установившаяся рабочая скорость, или соответствующее установившееся температурное поле при достижении максимально допустимой установившейся рабочей скорости в полете.

Для большинства двигателей взлет часто является наихудшим напряженным состоянием, поэтому следует учитывать сочетание нестационарного температурного поля во время взлета (когда достигается максимальная разница температур) и максимальной рабочей скорости во время взлета.