Zaťažovacie charakteristiky a stav výpočtu kompresorových a turbínových kotúčov leteckých motorov

Zaťažovacie charakteristiky a stav výpočtu kompresorových a turbínových kotúčov leteckých motorov

Hoci existujú rozdiely vo funkciách a konštrukciách rotorov kompresorov a turbín, pokiaľ ide o pevnosť, pracovné podmienky kolies oboch sú približne rovnaké. Kotúč turbíny má však vyššiu teplotu, čo znamená, že pracovné prostredie kotúča turbíny je drsnejšie.

Zaťaženia, ktoré znáša kotúč kompresora alebo kotúč turbíny leteckého motora, sú nasledovné:

1. Masová odstredivá sila

Obežné koleso musí odolať odstredivej sile lopatiek a samotného obežného kolesa spôsobenej rotáciou rotora. Pri výpočte pevnosti by sa mali zvážiť nasledujúce rýchlostné podmienky:

Prevádzková rýchlosť v ustálenom stave v bode výpočtu pevnosti špecifikovanom v rámci letovej obálky;

Maximálna prípustná prevádzková rýchlosť v ustálenom stave špecifikovaná v špecifikácii modelu;

115 % a 122 % maximálnej povolenej prevádzkovej rýchlosti v ustálenom stave.

Čepele, zámky, usmerňovače, skrutky, matice a skrutky nainštalované na disku sú všetky umiestnené na okraji disku kolesa. Vonkajší okraj disku kolesa je zvyčajne v spodnej časti drážky. Za predpokladu, že tieto zaťaženia sú rovnomerne rozložené na povrchu vonkajšieho okraja disku kolesa, rovnomerné zaťaženie je:

Kde F je súčet všetkých vonkajších zaťažení, R je polomer vonkajšieho kruhu kolesa a H je axiálna šírka vonkajšieho okraja kolesa.

Keď je spodok drážky pre zadlabanie a čap rovnobežný s osou otáčania disku kolesa, polomer vonkajšej hrany sa berie ako polomer polohy, kde sa nachádza spodok drážky; keď má spodok drážky pre zadlabanie a čapu uhol sklonu v radiálnom smere s osou otáčania disku kolesa, polomer vonkajšej hrany sa berie približne ako priemerná hodnota polomeru spodnej drážky prednej a zadnej hrany.

2. Tepelné zaťaženie

Disk kolesa musí znášať tepelné zaťaženie spôsobené nerovnomerným zahrievaním. V prípade kotúča kompresora možno tepelné zaťaženie vo všeobecnosti ignorovať. So zvýšením celkového tlakového pomeru motora a rýchlosti letu však výstupný vzduch z kompresora dosiahol veľmi vysokú teplotu. Preto nie je niekedy zanedbateľné tepelné zaťaženie kotúčov pred a za kompresorom. Pre kotúč turbíny je tepelné namáhanie po odstredivej sile najdôležitejším ovplyvňujúcim faktorom. Pri výpočte je potrebné zvážiť nasledujúce typy teplotných polí:

Ustálené teplotné pole pre každý výpočet pevnosti špecifikovaný v letovej obálke;

Ustálené teplotné pole v typickom letovom cykle;

Prechodové teplotné pole v typickom letovom cykle.

Ak pri odhade nie je možné úplne poskytnúť pôvodné údaje a nie je k dispozícii žiadna nameraná teplota ako referencia, na odhad sa môžu použiť parametre prúdenia vzduchu v projektovom stave a stave najvyššieho tepelného zaťaženia. Empirický vzorec na odhad teplotného poľa na disku je:

Vo vzorci je T teplota na požadovanom polomere, T0 je teplota v stredovom otvore disku, Tb je teplota na okraji disku, R je ľubovoľný polomer na disku a dolné indexy 0 a b zodpovedajú stredovému otvoru a ráfiku.

m=2 zodpovedá zliatine titánu a feritickej oceli bez núteného chladenia;

m=4 zodpovedá zliatine na báze niklu s núteným chladením.

• Pre disk vysokotlakového kompresora

Teplotné pole v ustálenom stave:

Keď nedochádza k prúdeniu chladiaceho vzduchu, možno uvažovať, že neexistuje žiadny teplotný rozdiel;

Pri prúdení chladiaceho vzduchu sa Tb môže brať približne ako výstupná teplota prúdu vzduchu na každej úrovni kanála + 15℃, a T0 možno brať približne ako výstupnú teplotu prúdu vzduchu na úrovni prúdenia extrakčného chladiaceho vzduchu + 15℃.

Prechodné teplotné pole:

Tb možno približne brať ako výstupnú teplotu každej úrovne kanálového prúdenia vzduchu;

T0 možno brať približne ako 50 % teploty ráfika kolesa, keď nie je prúdenie chladiaceho vzduchu; keď dochádza k prúdeniu chladiaceho vzduchu, môže sa približne považovať za výstupnú teplotu stupňa extrakcie prúdu chladiaceho vzduchu.

• Pre kotúč turbíny

Teplotné pole v ustálenom stave:

Tb0 je teplota prierezu koreňa čepele; △T je teplotný pokles čapu, ktorý možno brať približne takto: △T = 50-100℃ keď čap nie je ochladený; △T = 250-300℃ keď je čap vychladnutý.

Prechodné teplotné pole:

Disk s chladiacimi lopatkami je možné aproximovať nasledovne: prechodový teplotný gradient = 1.75 × teplotný gradient v ustálenom stave;

Disk bez chladiacich lopatiek je možné aproximovať takto: prechodový teplotný gradient = 1.3 × teplotný gradient v ustálenom stave.

3. Sila plynu (axiálna a obvodová sila) prenášaná lopatkami a tlak plynu na predný a zadný koniec obežného kolesa

• Sila plynu prenášaná z lopatiek

Pre lopatky kompresora je zložka sily plynu pôsobiaca na výšku lopatiek jednotky:

Axiálne:

kde Zm a Q sú priemerný polomer a počet lopatiek; ρ1m a ρ2 m sú hustota prúdenia vzduchu na vstupnej a výstupnej časti; Claam a C1am sú axiálna rýchlosť prúdenia vzduchu pri priemernom polomere vstupnej a výstupnej časti; p2m a p1m sú statický tlak prúdu vzduchu v priemernom polomere vstupnej a výstupnej časti.

Obvodový smer:

• Pre lopatky turbíny

Smer sily plynu na plyn sa líši od dvoch vyššie uvedených vzorcov so záporným znamienkom. Vo všeobecnosti existuje určitý tlak v dutine medzi dvojstupňovým obežným kolesom (najmä obežným kolesom kompresora). Ak je tlak v susedných priestoroch rozdielny, spôsobí sa tlakový rozdiel na obežnom kolese medzi dvoma dutinami, △p=p1-p2. vo všeobecnosti △p má malý vplyv na statickú pevnosť obežného kolesa, najmä ak je v lúči obežného kolesa diera, △p možno ignorovať.

4.Gyroskopický krútiaci moment generovaný počas manévrovacieho letu

Pri kotúčoch ventilátorov s veľkým priemerom s lopatkami ventilátora je potrebné zvážiť vplyv gyroskopických momentov na ohybové napätie a deformáciu kotúča.

5.Dynamické zaťaženie generované vibráciami kotúča a kotúča

Vibračné napätie generované v kotúči, keď lopatky a kotúče vibrujú, by malo byť superponované so statickým namáhaním. Všeobecné dynamické zaťaženia sú:

Periodická nerovnomerná sila plynu na lopatky. V dôsledku prítomnosti konzoly a samostatnej spaľovacej komory v prietokovom kanáli je prúdenie vzduchu po obvode nerovnomerné, čo vytvára periodickú nevyváženú plynnú vzrušujúcu silu na lopatky. Frekvencia tejto budiacej sily je: Hf = ωm. Medzi nimi ω je rýchlosť rotora motora a m je počet konzol alebo spaľovacích komôr.

Periodický nerovnomerný tlak plynu na povrchu disku.

Budiaca sila prenášaná na disk cez pripojený hriadeľ, spojovací krúžok alebo iné časti. Je to spôsobené nevyváženosťou systému hriadeľa, ktorá spôsobuje vibrácie celého stroja alebo rotorového systému, čím sa pripojený disk rozvibruje.

Medzi lopatkami viacrotorovej turbíny sú zložité interferenčné sily, ktoré ovplyvnia vibrácie kotúčového a tanierového systému.

Vibrácie kotúčovej spojky. Vibrácie spojky okrajov disku súvisia s inherentnými vibračnými charakteristikami systému disku. Keď sa vzrušujúca sila na diskový systém blíži k určitému rádu dynamickej frekvencie systému, systém bude rezonovať a generovať vibračné napätie.

6.Montážne napätie na spoji medzi kotúčom a hriadeľom

Presah medzi diskom a hriadeľom spôsobí montážne napätie na disku. Veľkosť montážneho napätia závisí od uloženia s presahom, veľkosti a materiálu disku a hriadeľa a súvisí s iným zaťažením disku. Existencia odstredivého zaťaženia a teplotného napätia napríklad zväčší stredový otvor disku, zníži interferenciu a tým zníži napätie pri montáži.

Spomedzi vyššie uvedených zaťažení sú hlavnými zložkami odstredivá sila hmoty a tepelné zaťaženie. Pri výpočte pevnosti je potrebné zvážiť nasledujúce kombinácie rýchlosti otáčania a teploty:

rýchlosť každého bodu výpočtu pevnosti špecifikovaného v letovej obálke a teplotné pole v zodpovedajúcom bode;

Teplotné pole v ustálenom stave v bode maximálneho tepelného zaťaženia alebo pri maximálnom teplotnom rozdiele počas letu a maximálnej povolenej prevádzkovej rýchlosti v ustálenom stave alebo zodpovedajúce teplotné pole v ustálenom stave, keď sa počas letu dosiahne maximálna povolená prevádzková rýchlosť v ustálenom stave.

Pre väčšinu motorov je vzlet často najhorším stresovým stavom, preto treba zvážiť kombináciu prechodného teplotného poľa počas vzletu (keď sa dosiahne maximálny teplotný rozdiel) a maximálnej prevádzkovej rýchlosti počas vzletu.