Карактеристике оптерећења и прорачунско стање компресорских и турбинских дискова авионских мотора

Карактеристике оптерећења и прорачунско стање компресорских и турбинских дискова авионских мотора

Иако постоје разлике у функцијама и структури ротора компресора и турбине, у погледу снаге, услови рада точкова ова два су приближно исти. Међутим, турбински диск је на вишој температури, што значи да је радно окружење турбинског диска оштрије.

Оптерећења која сносе диск компресора или турбински диск мотора авиона су следећа:

1. Масовна центрифугална сила

Радно коло мора да издржи центрифугалну силу лопатица и самог радног кола изазвану ротацијом ротора. У прорачуну снаге треба узети у обзир следеће услове брзине:

Радна брзина у стационарном стању на тачки прорачуна јачине која је наведена у оквиру омотача лета;

Максимална дозвољена радна брзина у стабилном стању наведена у спецификацији модела;

115% и 122% максималне дозвољене брзине рада у стабилном стању.

Сечива, браве, преграде, завртњи, матице и завртњи постављени на диск налазе се на ивици диска точка. Обично је спољна ивица диска точка на дну жлеба. Под претпоставком да су ова оптерећења равномерно распоређена на површини спољне ивице диска точка, униформно оптерећење је:

Где је Ф збир свих спољашњих оптерећења, Р је полупречник спољашњег круга точка, а Х аксијална ширина спољне ивице точка.

Када је дно жлеба за утор и чеп паралелно са осом ротације диска точка, полупречник спољне ивице се узима као полупречник положаја где се налази дно жлеба; када дно жлеба за утор и клин има угао нагиба у радијалном правцу са осом ротације диска точка, полупречник спољне ивице се приближно узима као просечна вредност полупречника дна предње и задње ивице жлеба.

2. Тхермал Лоад

Диск точка мора да издржи топлотно оптерећење узроковано неравномерним загревањем. За диск компресора, топлотно оптерећење се генерално може занемарити. Међутим, са повећањем укупног односа притиска мотора и брзине лета, проток ваздуха на излазу компресора достигао је веома високу температуру. Стога, термичко оптерећење дискова пре и после компресора понекад није занемарљиво. За турбински диск, термички стрес је најважнији фактор утицаја после центрифугалне силе. Током израчунавања треба узети у обзир следеће типове температурних поља:

Стационарно температурно поље за сваки прорачун јачине наведен у омотачу лета;

Стационарно температурно поље у типичном циклусу лета;

Поље температуре прелаза у типичном циклусу лета.

Приликом процене, ако се оригинални подаци не могу у потпуности обезбедити и нема измерене температуре за референцу, за процену се могу користити параметри протока ваздуха у пројектованом стању и највећем топлотном оптерећењу. Емпиријска формула за процену температурног поља на диску је:

У формули, Т је температура на траженом полупречнику, Т0 је температура на средишњој рупи диска, Тб је температура на ободу диска, Р је произвољан полупречник на диску, а индекси 0 и б одговарају средишњој рупи и ободу, респективно.

м=2 одговара легури титанијума и феритном челику без принудног хлађења;

м=4 одговара легури на бази никла са принудним хлађењем.

• За диск компресора високог притиска

Стационарно температурно поље:

Када нема струјања ваздуха за хлађење, може се сматрати да нема температурне разлике;

Када постоји проток ваздуха за хлађење, Тб се може приближно узети као излазна температура протока ваздуха на сваком нивоу канала + 15℃, а Т0 се може приближно узети као излазна температура струјања ваздуха на нивоу струјања ваздуха за хлађење екстракције + 15℃.

Поље прелазне температуре:

Тб се може приближно узети као излазна температура сваког нивоа протока ваздуха у каналу;

Т0 се може приближно узети као 50% температуре наплатка точка када нема протока ваздуха за хлађење; када постоји проток ваздуха за хлађење, може се приближно узети као излазна температура фазе екстракције протока расхладног ваздуха.

• За турбински диск

Стационарно температурно поље:

Тб0 је температура попречног пресека корена сечива; △Т је пад температуре клипа, који се може узети отприлике на следећи начин: △Т=50-100℃ када се чеп не охлади; △Т=250-300℃ када се чеп охлади.

Поље прелазне температуре:

Диск са лопатицама за хлађење може се апроксимирати на следећи начин: прелазни температурни градијент = 1.75 × стабилан температурни градијент;

Диск без расхладних лопатица може се апроксимирати на следећи начин: прелазни температурни градијент = 1.3 × стабилни температурни градијент.

3. Сила гаса (аксијална и обимна сила) коју преносе лопатице и притисак гаса на предњем и задњем крају радног кола

• Сила гаса која се преноси са лопатица

За лопатице компресора, компонента гасне силе која делује на јединичну висину лопатице је:

Аксијално:

Где су Зм и К средњи полупречник и број лопатица; ρ1м и ρ2м су густина протока ваздуха на улазном и излазном делу; Ц1ам и Ц2ам су аксијална брзина струјања ваздуха на просечном полупречнику улазног и излазног пресека; п1м и п2м су статички притисак протока ваздуха на средњем радијусу улазног и излазног пресека.

Обимни правац:

• За лопатице турбине

Смер гасне силе на гас се разликује од две горње формуле негативним предзнаком. Генерално постоји одређени притисак у шупљини између двостепеног радног кола (нарочито радног кола компресора). Ако је притисак у суседним просторима различит, разлика притиска ће бити узрокована на радном колу између две шупљине, △п=п1-п2. генерално, △п има мало утицаја на статичку снагу радног кола, посебно када постоји рупа у жбици радног кола, △п се може занемарити.

4.Жироскопски обртни момент који се ствара током маневарског лета

За дискове вентилатора великог пречника са лопатицама вентилатора треба узети у обзир утицај жироскопских момената на напон савијања и деформацију диска.

5.Динамичка оптерећења изазвана вибрацијама сечива и диска

Вибрациони напон који се ствара у диску када лопатице и дискови вибрирају треба да буде суперпонован са статичким напрезањем. Општа динамичка оптерећења су:

Периодична неуједначена гасна сила на лопатице. Због присуства носача и одвојене коморе за сагоревање у каналу протока, проток ваздуха је неравномеран дуж обима, што производи периодичну неуравнотежену силу која изазива гас на лопатицама. Фреквенција ове побудне силе је: Хф = ωм. међу њима, ω је брзина ротора мотора, а м је број носача или комора за сагоревање.

Периодични неуједначени притисак гаса на површини диска.

Узбудљива сила која се преноси на диск преко спојене осовине, спојног прстена или других делова. Ово је због неуравнотежености система осовине, што узрокује вибрације целе машине или система ротора, што доводи до тога да повезани диск вибрира заједно.

Постоје сложене силе интерференције између лопатица турбине са више ротора, које ће утицати на вибрације система дискова и плоча.

Вибрације спојнице диска. Вибрација спајања ивице диска повезана је са инхерентним карактеристикама вибрација система дискова. Када је узбудљива сила на систему диска близу одређеног реда динамичке фреквенције система, систем ће резонирати и генерисати вибрацијски стрес.

6.Монтажни напон на споју диска и вратила

Интерференција између диска и осовине ће створити напрезање при монтажи на диску. Величина монтажног напрезања зависи од интерференције, величине и материјала диска и осовине и повезана је са другим оптерећењима диска. На пример, постојање центрифугалног оптерећења и температурног напрезања ће повећати средишњи отвор диска, смањити сметње, а самим тим и смањити напон при монтажи.

Међу горе наведеним оптерећењима, масена центрифугална сила и топлотно оптерећење су главне компоненте. Приликом израчунавања снаге треба узети у обзир следеће комбинације брзине ротације и температуре:

Брзина сваке тачке прорачуна снаге наведене у омотачу лета и температурном пољу у одговарајућој тачки;

Стационарно температурно поље у тачки максималног топлотног оптерећења или максималној температурној разлици у лету и максималној дозвољеној стабилној радној брзини, или одговарајућем стабилном температурном пољу када се достигне максимална дозвољена радна брзина у стационарном стању у лету.

За већину мотора, полетање је често најгоре стање напрезања, тако да треба узети у обзир комбинацију прелазног температурног поља током полетања (када се достигне максимална температурна разлика) и максималне радне брзине током полетања.