Obremenitvene karakteristike in stanje izračuna kompresorskih in turbinskih diskov letalskih motorjev

Obremenitvene karakteristike in stanje izračuna kompresorskih in turbinskih diskov letalskih motorjev

Čeprav obstajajo razlike v funkcijah in strukturah rotorjev kompresorja in turbine, so glede moči delovni pogoji koles obeh približno enaki. Vendar ima turbinski disk višjo temperaturo, kar pomeni, da je delovno okolje turbinskega diska bolj ostro.

Obremenitve, ki jih nosi disk kompresorja ali turbinskega diska letalskega motorja, so naslednje:

1. Masna centrifugalna sila

Propeler mora prenesti centrifugalno silo lopatic in samega propelerja, ki jo povzroča vrtenje rotorja. Pri izračunu trdnosti je treba upoštevati naslednje pogoje hitrosti:

stabilna delovna hitrost na točki izračuna trdnosti, določeni v ovojnici leta;

največja dovoljena obratovalna hitrost v ustaljenem stanju, navedena v specifikaciji modela;

115 % in 122 % največje dovoljene hitrosti delovanja v ustaljenem stanju.

Noži, ključavnice, lopute, sorniki, matice in vijaki, nameščeni na kolutu, se nahajajo na robu koluta. Običajno je zunanji rob diska kolesa na dnu utora. Ob predpostavki, da so te obremenitve enakomerno porazdeljene na površini zunanjega roba koluta kolesa, je enakomerna obremenitev:

Kjer je F vsota vseh zunanjih obremenitev, R polmer zunanjega kroga kolesa, H pa osna širina zunanjega roba kolesa.

Kadar je dno utora za vdolbino in čep vzporedno z osjo vrtenja koluta kolesa, se radij zunanjega roba vzame kot polmer položaja, kjer se nahaja dno utora; ko ima dno utora za vdolbino in čep kot naklona v radialni smeri z osjo vrtenja koluta kolesa, se polmer zunanjega roba približno vzame kot povprečna vrednost radijev dna utora na sprednjem in zadnjem robu.

2. Toplotna obremenitev

Plošča kolesa mora prenesti toplotno obremenitev, ki jo povzroči neenakomerno segrevanje. Pri disku kompresorja lahko toplotno obremenitev na splošno zanemarimo. Vendar pa je s povečanjem razmerja celotnega tlaka motorja in hitrosti leta izhodni zračni tok kompresorja dosegel zelo visoko temperaturo. Zato toplotna obremenitev diskov pred in za kompresorjem včasih ni zanemarljiva. Za turbinski disk je toplotna obremenitev najpomembnejši vplivni dejavnik za centrifugalno silo. Med izračunom je treba upoštevati naslednje vrste temperaturnih polj:

temperaturno polje stabilnega stanja za vsak izračun trdnosti, določen v ovojnici leta;

Stacionarno temperaturno polje v tipičnem ciklu letenja;

Prehodno temperaturno polje v tipičnem ciklu letenja.

Če pri ocenjevanju ni mogoče v celoti zagotoviti izvirnih podatkov in ni izmerjene temperature za referenco, se lahko za oceno uporabijo parametri pretoka zraka pod projektnim stanjem in stanje največje toplotne obremenitve. Empirična formula za oceno temperaturnega polja na disku je:

V formuli je T temperatura pri zahtevanem polmeru, T0 je temperatura v središčni luknji diska, Tb je temperatura na robu diska, R je poljuben polmer na disku, indeksa 0 in b pa ustrezata sredinski luknji oziroma robu.

m=2 ustreza titanovi zlitini in feritnemu jeklu brez prisilnega hlajenja;

m=4 ustreza zlitini na osnovi niklja s prisilnim hlajenjem.

• Za visokotlačni disk kompresorja

Temperaturno polje v stanju dinamičnega ravnovesja:

Kadar ni pretoka hladilnega zraka, se lahko šteje, da ni temperaturne razlike;

Kadar obstaja hladilni zračni tok, se lahko Tb približno vzame kot izhodna temperatura zračnega toka na vsaki ravni kanala + 15℃, T0 pa se lahko približno vzame kot izhodna temperatura zračnega toka pri ravni pretoka zraka za hlajenje ekstrakcije + 15℃.

Prehodno temperaturno polje:

Tb se lahko približno vzame kot izhodna temperatura vsake stopnje pretoka zraka v kanalu;

T0 se lahko vzame približno kot 50 % temperature kolesnega obroča, ko ni pretoka hladilnega zraka; ko obstaja pretok hladilnega zraka, se lahko približno vzame kot izhodna temperatura stopnje ekstrakcije toka hladilnega zraka.

• Za turbinski disk

Temperaturno polje v stanju dinamičnega ravnovesja:

Tb0 je temperatura prečnega prereza korena lopatice; △T je padec temperature čepa, ki ga lahko približno vzamemo kot sledi: △T=50-100℃ ko čep ni ohlajen; △T=250-300℃ ko je čep ohlajen.

Prehodno temperaturno polje:

Disk s hladilnimi lopaticami je mogoče približno oceniti na naslednji način: prehodni temperaturni gradient = 1.75 × temperaturni gradient stabilnega stanja;

Disk brez hladilnih lopatic je mogoče približno oceniti na naslednji način: prehodni temperaturni gradient = 1.3 × stabilni temperaturni gradient.

3. Sila plina (aksialna in obodna sila), ki jo prenašajo lopatice, in tlak plina na sprednji in zadnji konec rotorja

• Sila plina, ki se prenaša z rezil

Za lopatice kompresorja je komponenta plinske sile, ki deluje na višino lopatic enote:

Aksialno:

Kjer sta Zm in Q povprečni polmer in število rezil; ρ1m in ρ2m sta gostota zračnega toka na vstopnem in izstopnem delu; C1am in C2am sta osni hitrosti zračnega toka pri povprečnem polmeru vstopnega in izstopnega odseka; p1m in p2m sta statični tlak zračnega toka pri povprečnem polmeru vstopnega in izstopnega odseka.

Obodna smer:

• Za turbinske lopatice

Smer plinske sile na plin se razlikuje od obeh zgornjih formul z negativnim predznakom. V votlini med dvostopenjskim propelerjem (zlasti tekačem kompresorja) je na splošno določen tlak. Če je tlak v sosednjih prostorih drugačen, bo nastala razlika v tlaku na rotorju med obema votlinama, △p=p1-p2. Na splošno, △p ima majhen vpliv na statično trdnost tekača, še posebej, če je v špici tekača luknja, △p lahko prezrete.

4.Žiroskopski navor, ki nastane med manevriranjem

Pri ventilatorskih diskih velikega premera z lopaticami ventilatorja je treba upoštevati učinek giroskopskih momentov na upogibno napetost in deformacijo diska.

5.Dinamične obremenitve, ki nastanejo zaradi vibracij rezila in diska

Vibracijsko obremenitev, ki nastane v disku, ko rezila in diski vibrirajo, je treba prekriti s statično obremenitvijo. Splošne dinamične obremenitve so:

Periodična neenakomerna plinska sila na rezila. Zaradi prisotnosti nosilca in ločene zgorevalne komore v pretočnem kanalu je pretok zraka neenakomeren po obodu, kar povzroča periodično neuravnoteženo plinsko vzbujevalno silo na lopaticah. Frekvenca te vzbujalne sile je: Hf = ωm. Med njimi, ω je hitrost rotorja motorja, m pa število nosilcev ali zgorevalnih komor.

Periodični neenakomeren tlak plina na površini diska.

Vzbujevalna sila, ki se prenaša na disk preko povezane gredi, povezovalnega obroča ali drugih delov. To je posledica neuravnoteženosti sistema gredi, ki povzroča tresenje celotnega stroja ali sistema rotorja, zaradi česar povezani diski skupaj vibrirajo.

Med lopaticami turbine z več rotorji obstajajo kompleksne interferenčne sile, ki bodo vplivale na vibracije sistema diska in plošče.

Vibracije kolutne sklopke. Vibracija sklopitve roba diska je povezana z lastnimi vibracijskimi značilnostmi diskovnega sistema. Ko je vznemirljiva sila na sistemu diska blizu določenega reda dinamične frekvence sistema, bo sistem resoniral in ustvaril vibracijsko obremenitev.

6.Montažna napetost na spoju med diskom in gredjo

Interferenčno prileganje med diskom in gredjo bo povzročilo montažno napetost na disku. Velikost montažne napetosti je odvisna od interferenčnega prileganja, velikosti in materiala diska in gredi ter je povezana z drugimi obremenitvami diska. Na primer, obstoj centrifugalne obremenitve in temperaturne obremenitve bosta povečala sredinsko luknjo diska, zmanjšala motnje in s tem zmanjšala obremenitev pri sestavljanju.

Med zgoraj omenjenimi obremenitvami sta glavni komponenti masna centrifugalna sila in toplotna obremenitev. Pri izračunu trdnosti je treba upoštevati naslednje kombinacije hitrosti vrtenja in temperature:

Hitrost vsake točke izračuna trdnosti, določene v ovojnici leta, in temperaturno polje na ustrezni točki;

Stacionarno temperaturno polje na točki največje toplotne obremenitve ali največja temperaturna razlika med letom in največja dovoljena stacionarna delovna hitrost ali ustrezno stacionarno temperaturno polje, ko je največja dovoljena stacionarna delovna hitrost dosežena med letom.

Za večino motorjev je vzlet pogosto najslabše napetostno stanje, zato je treba upoštevati kombinacijo prehodnega temperaturnega polja med vzletom (ko je dosežena največja temperaturna razlika) in največje delovne hitrosti med vzletom.