Belastningskaraktäristik och beräkningsstatus för kompressor- och turbinskivor i flygmotorer

Belastningskaraktäristik och beräkningsstatus för kompressor- och turbinskivor i flygmotorer

Fastän det finns skillnader i funktionerna och strukturerna av kompressor- och turbinrotorer, ur hållfasthetssynvinkel är arbetsförhållandena för hjulen hos båda ungefär desamma. Men turbinhjulet arbetar vid högre temperatur, vilket betyder att turbinhjulet har en mer krävande arbetsmiljö.

De belastningar som bäras av kompressordisken eller turbindisken i en flygmotor är följande:

1. Masscentrifugalkraft

Påfyllaren måste motstå centrifugalkraften från bladen och påfyllaren själv orsakad av rotorns rotation. Följande hastighetsvillkor bör övervägas i styrkeberäkningen:

Steady-state-driftshastighet vid det angivna styrkeberäkningspunkten inom flygombonen;

Högsta tillåtna steady-state-driftshastighet som anges i modellspecifikationen;

115% och 122% av den högsta tillåtna steady-state-driftshastigheten.

Bladen, lås, dammrutor, skruvar, muttrar och skruvar monterade på disken är alla belägna vid kanten av hjuldisken. Vanligtvis befinner sig den yttre kanten av hjuldisken i botten av groven. Antag att dessa laster är jämnt fördelade på ytan av den yttre kanten av hjuldisken, den jämnt fördelade lasten är:

Där F är summan av alla externa laster, R är radien för den yttre cirkeln av hjulet, och H är den axiella bredden av den yttre kanten av hjulet.

När botten av mortis- och tenongropet är parallellt med rotationsaxeln av hjulskivan tas den yttre kantradien som radien för den position där gropbotten ligger; när botten av mortis- och tenongropet har en lutningvinkel i radial riktning med rotationsaxeln av hjulskivan tas den yttre kantradien ungefär som medelvärdet av de främre och bakre kantgropsbottenradierna.

2. Termisk belastning

Hjuldisken måste stå emot den termiska belastningen som orsakas av ojämn uppvärmning. För kompressordisken kan den termiska belastningen vanligen ignoreras. Med ökningen av motorens totaltrycksförhållande och flyghastighet har kompressorens utgående luftström nått en mycket hög temperatur. Därför är den termiska belastningen av diskarna före och efter kompressorn ibland inte nedsättbar. För turbindisken är termisk spänning den viktigaste påverkansfaktorn efter centrifugkraften. Följande typer av temperaturfält bör övervägas under beräkningar:

Stationsär temperaturfält för varje styrkeberäkning som anges i flygningsomfånget;

Stationsär temperaturfält i en typisk flygningscykel;

Transitoriskt temperaturfält i en typisk flygningscykel.

När man gör en uppskattning, om de ursprungliga data inte kan ges fullständigt och det inte finns någon mättemperatur att referera till, kan luftflödesparametrarna under designtillståndet och högsta värmebelastningstillståndet användas för uppskattning. Den empiriska formeln för att uppskatta temperaturfältet på disken är:

I formeln är T temperaturen vid den önskade radien, T0 temperaturen i mittåtet av disken, Tb temperaturen vid kanten av disken, R en godtycklig radie på disken, och subskripterna 0 och b motsvarar respektive mittåtet och kanten.

m=2 motsvarar titaniumlegering och ferritisk stål utan tvungna kylning;

m=4 motsvarar nickelbaserad legering med tvungen kylning.

• För högh Trycks kompressordisk

Stationärt temperaturfält:

När det inte finns något kylflöde kan det anses att det inte finns någon temperaturskillnad;

När det finns kylande luftflöde kan Tb tas som ungefär utgångstemperaturen för luftflödet på varje nivå i kanalen + 15 ℃ och T0 kan tas som ungefär utgångstemperaturen för luftflödet vid avledningsnivån för kylande luftflöde + 15 ℃ .

Tillfällig temperaturfält:

Tb kan tas som ungefär utgångstemperaturen för luftflödet på varje nivå i kanalen;

T0 kan tas som 50% av hjulskivans temperatur när det inte finns något kylande luftflöde; när det finns kylande luftflöde kan det tas som ungefär utgångstemperaturen vid avledningsnivån för kylande luftflöde.

• För turbinsskivan

Stationärt temperaturfält:

Tb0 är tvärsnittstemperaturen för bladets rot; △ T är temperaturopphöjningen för tenonen, vilken kan tas som följande ungefär: △ T=50-100 ℃ när tenonen inte kyler; △ T=250-300 ℃ när spånkanten är kallad.

Tillfällig temperaturfält:

Skivan med kylblad kan approximeras på följande sätt: tidsberoende temperaturgradient = 1.75 × stabil tillstånds temperaturgradient;

Skivan utan kylblad kan approximeras på följande sätt: tidsberoende temperaturgradient = 1.3 × stabil tillstånds temperaturgradient.

3. Gasstyrka (axial och omkringliggande styrka) överförd av bladen och gastryck på framsidan och bakre delen av drivhjulet

• Gasstyrka överförd från bladen

För kompressorsblad, är den gasstyrkorkomponent som verkar på enhetsbladhöjd:

Axial:

Där Zm och Q är den genomsnittliga radien och antalet blad; ρ 1m och ρ 2m är luftflödets densitet vid inflodsnivån och utflodsnivån; C1am och C2am är luftflödets axiella hastighet vid den genomsnittliga radien av inflodsnivån och utflodsnivån; p1m och p2m är luftflödets statiska tryck vid den genomsnittliga radien av inflodsnivån och utflodsnivån.

Cirkumferensriktning:

• För turbinblad

Riktningen på gasstyrkan på gasen skiljer sig från de två formlerna ovan genom ett negativt tecken. Det finns vanligtvis en viss trycknivå i hållrummet mellan de tvåstegsfläkarna (särskilt kompressorfläkarna). Om trycket i grannrummen skiljer sig, orsakar detta en tryckskillnad på fläkarna mellan de två hållrummen, △ p=p1-p2. Vanligen, △ p har liten påverkan på fläkarnas statiska styrka, särskilt när det finns hål i fläkspaken, △ p kan ignoreras.

4.Gyroscopisk torque som genereras under manöverflygning

För stora diameter fanskivor med fansblad bör effekten av gyroscopiska moment på böjningsstressen och deformationen av skivan övervägas.

5.Dynamiska belastningar genererade av blads- och skivvibration

Den vibrationsstress som genereras i skivan när bladen och skivorna vibrerar bör läggas till på den statiska stressen. De allmänna dynamiska belastningarna är:

Den periodiska ojämna gasstyrkan på bladen. På grund av närvaron av en ställning och en separat brännkammare i strömningskanalen är luftflödet ojämnt längs omkring, vilket producerar en periodisk obalanserad gasupphetsstyrka på bladen. Frekvensen för denna upphetsningsstyrka är: Hf = ω m. Där ω är hastigheten på motorens rotor, och m är antalet ställningar eller brännkammrar.

Den periodiska ojämna gastrycket på skivytan.

Den spännande kraften som överförs till disken via den anslutna axeln, kopplingsringen eller andra delar. Detta beror på axelsystemets obalans, vilket orsakar vibrationer i hela maskinen eller rotor systemet, därmed drar med den anslutna disken att vibrera tillsammans.

Det finns komplexa störkrafter mellan bladen i den flerrotoriga turbinen, vilket kommer att påverka vibrationen av disk- och plattesystemet.

Diskkopplningsvibration. Diskens randkopplningsvibration är relaterad till det inhärdiga vibrationskaraktären hos disk-systemet. När den upphetsande kraften på disk-systemet närmar sig en viss ordning av dynamisk frekvens för systemet, kommer systemet att resonera och generera vibrationsstress.

6.Monteringsstress vid anslutningen mellan disken och axeln

Interferensföreningen mellan disken och axeln kommer att generera monteringsstress på disken. Magnituden av monteringsstressen beror på interferensföreningen, storleken och materialet på disken och axeln, och är relaterad till andra belastningar på disken. Till exempel, existensen av centrifugbelastning och temperaturstress kommer att förstora centrumshålet på disken, minska interferensen och därmed minska monteringsstressen.

Bland de nämnda belastningarna är masscentrifugkraft och termisk belastning de huvudsakliga komponenterna. Vid styrkeberäkning bör följande kombinationer av rotationshastighet och temperatur beaktas:

Hastigheten för varje styrkeberäkningspunkt som anges i flygombuket och temperaturfältet vid motsvarande punkt;

Det stationära temperaturfältet vid punkten för maximal värmebelastning eller den maximala temperaturdifferensen under flygning och den högsta tillåtna stationära driftsnabbheten, eller det motsvarande stationära temperaturfältet när den högsta tillåtna stationära driftsnabbheten nås under flygning.

För de flesta motorer är start ofta det sämsta spänningsläget, så kombinationen av det transitiva temperaturfältet vid start (när den maximala temperaturdifferensen uppnås) och den maximala driftsnabbheten vid start bör övervägas.