Lastegenskaper och beräkningsstatus för kompressor- och turbinskivor i flygplansmotorer

Lastegenskaper och beräkningsstatus för kompressor- och turbinskivor i flygplansmotorer

Även om det finns skillnader i funktioner och strukturer hos kompressorer och turbinrotorer, när det gäller styrka, är arbetsförhållandena för hjulen på de två ungefär desamma. Däremot har turbinskivan en högre temperatur, vilket gör att arbetsmiljön för turbinskivan är hårdare.

Belastningarna som bärs av kompressorskivan eller turbinskivan i en flygplansmotor är följande:

1. Masscentrifugalkraft

Pumphjulet måste motstå centrifugalkraften från bladen och själva pumphjulet som orsakas av rotorns rotation. Följande hastighetsförhållanden bör beaktas vid hållfasthetsberäkning:

Driftshastighet i stationär tillstånd vid den hållfasthetsberäkningspunkt som anges inom flygomslaget;

Högsta tillåtna drifthastighet i stationärt tillstånd som anges i modellspecifikationen;

115 % och 122 % av högsta tillåtna drifthastighet i stationärt tillstånd.

Bladen, låsen, bafflarna, bultarna, muttrarna och skruvarna som är installerade på skivan är alla placerade vid kanten av hjulskivan. Vanligtvis är hjulskivans ytterkant i botten av spåret. Om man antar att dessa belastningar är jämnt fördelade på ytan av hjulskivans ytterkant, är den enhetliga belastningen:

Där F är summan av alla yttre belastningar, R är radien för hjulets yttre cirkel, och H är den axiella bredden av hjulets yttre kant.

När botten av tapp- och tappspåret är parallell med hjulskivans rotationsaxel, tas den yttre kantradien som radien för det läge där spårets botten är belägen; när botten av tapp- och tappspåret har en lutningsvinkel i radiell riktning med hjulskivans rotationsaxel, tas ytterkantradien ungefär som medelvärdet av främre och bakre kantspårets bottenradier.

2. Termisk belastning

Hjulskivan måste tåla den termiska belastningen som orsakas av ojämn uppvärmning. För kompressorskivan kan den termiska belastningen i allmänhet ignoreras. Men med ökningen av motorns totala tryckförhållande och flyghastighet har kompressorns utloppsluftflöde nått en mycket hög temperatur. Därför är den termiska belastningen av skivorna före och efter kompressorn ibland inte försumbar. För turbinskivan är termisk spänning den viktigaste påverkande faktorn efter centrifugalkraften. Följande typer av temperaturfält bör beaktas vid beräkningen:

Steady-state temperaturfält för varje styrkaberäkning som anges i flygplanet;

Steady-state temperaturfält i en typisk flygcykel;

Övergångstemperaturfält i en typisk flygcykel.

Vid uppskattning, om originaldata inte kan tillhandahållas fullständigt och det inte finns någon uppmätt temperatur som referens, kan luftflödesparametrarna under designtillståndet och högsta värmebelastningstillstånd användas för uppskattning. Den empiriska formeln för att uppskatta temperaturfältet på skivan är:

I formeln är T temperaturen vid den önskade radien, T0 är temperaturen vid skivans mitthål, Tb är temperaturen vid skivans kant, R är en godtycklig radie på skivan, och de nedsänkta 0 och b motsvarar mitthålet respektive kanten.

m=2 motsvarar titanlegering och ferritiskt stål utan forcerad kylning;

m=4 motsvarar nickelbaserad legering med forcerad kylning.

• För högtryckskompressorskiva

Temperaturfält vid konstant tillstånd:

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

När det finns kylande luftflöde kan Tb ungefär tas som utloppstemperaturen för luftflödet vid varje nivå av kanalen + 15℃, och T0 kan ungefär tas som utloppstemperaturen för luftflödet vid utsugskylningsluftflödesnivån + 15℃.

Övergående temperaturfält:

Tb kan ungefär tas som utloppstemperaturen för varje nivå av kanalluftflöde;

T0 kan ungefär tas som 50 % av fälgens temperatur när det inte finns något kylande luftflöde; när det finns kylluftflöde kan det ungefär tas som utloppstemperaturen för kylluftflödesextraktionssteget.

• För turbinskiva

Temperaturfält vid konstant tillstånd:

Tb0 är tvärsnittstemperaturen för bladroten; △T är tappens temperaturfall, vilket kan tas ungefär enligt följande: △T=50-100℃ när tappen inte är kyld; △T=250-300℃ när tappen är kyld.

Övergående temperaturfält:

Skivan med kylblad kan uppskattas enligt följande: transient temperaturgradient = 1.75 × konstant temperaturgradient;

Skivan utan kylblad kan uppskattas enligt följande: transient temperaturgradient = 1.3 × konstant temperaturgradient.

3. Gaskraft (axiell och periferiell kraft) överförd av bladen och gastrycket på pumphjulets främre och bakre ändar

• Gaskraft som överförs från bladen

För kompressorblad är gaskraftskomponenten som verkar på enhetens bladhöjd:

Axial:

Där Zm och Q är medelradien och antalet blad; ρ1m och ρ2m är tätheten av luftflödet vid inlopps- och utloppssektionerna; C1am och C2am är luftflödets axiella hastighet vid medelradien för inlopps- och utloppssektionerna; p1m och p2m är det statiska trycket för luftflödet vid medelradien för inlopps- och utloppssektionerna.

Omkretsriktning:

• För turbinblad

Riktningen av gaskraften på gasen skiljer sig från de två formlerna ovan med ett negativt tecken. Det finns i allmänhet ett visst tryck i kaviteten mellan tvåstegspumphjulet (särskilt kompressorhjulet). Om trycket i de intilliggande utrymmena är olika, kommer en tryckskillnad att orsakas på pumphjulet mellan de två hålrummen, △p=pl-p1. I allmänhet, △p har liten effekt på pumphjulets statiska styrka, speciellt när det finns ett hål i pumphjulets eker, △p kan ignoreras.

4.Gyroskopiskt vridmoment som genereras under manöverflygning

För fläktskivor med stor diameter och fläktblad bör effekten av gyroskopiska moment på böjspänningen och deformationen av skivan beaktas.

5.Dynamiska belastningar som genereras av blad- och skivvibrationer

Vibrationsspänningen som alstras i skivan när bladen och skivorna vibrerar bör överlagras med den statiska spänningen. De allmänna dynamiska lasterna är:

Den periodiska ojämna gaskraften på bladen. På grund av närvaron av fästet och den separata förbränningskammaren i flödeskanalen, är luftflödet ojämnt längs omkretsen, vilket ger en periodisk obalanserad gasextraherande kraft på bladen. Frekvensen för denna exciterande kraft är: Hf = ωm. Bland dem, ω är motorrotorns varvtal och m är antalet fästen eller förbränningskammare.

Det periodiska ojämna gastrycket på skivans yta.

Den exciterande kraften som överförs till skivan genom den anslutna axeln, anslutningsringen eller andra delar. Detta beror på obalansen i axelsystemet, vilket orsakar vibrationer i hela maskinen eller rotorsystemet, vilket driver den anslutna skivan att vibrera tillsammans.

Det finns komplexa interferenskrafter mellan bladen på flerrotorturbinen, vilket kommer att påverka vibrationen i skiv- och plattsystemet.

Skivkopplingsvibration. Vibrationen av skivkantskopplingen är relaterad till skivsystemets inneboende vibrationsegenskaper. När den exciterande kraften på skivsystemet är nära en viss ordning av dynamisk frekvens hos systemet, kommer systemet att resonera och generera vibrationspåkänningar.

6.Monteringsspänning vid anslutningen mellan skivan och axeln

Interferenspassningen mellan skivan och axeln kommer att generera monteringsspänning på skivan. Storleken på monteringsspänningen beror på interferenspassningen, storleken och materialet på skivan och axeln, och är relaterad till andra belastningar på skivan. Till exempel kommer förekomsten av centrifugalbelastning och temperaturpåkänning att förstora skivans mitthål, minska interferensen och därmed minska monteringsspänningen.

Bland de ovan nämnda lasterna är masscentrifugalkraft och termisk last huvudkomponenterna. Vid beräkning av styrkan bör följande kombinationer av rotationshastighet och temperatur beaktas:

Hastigheten för varje hållfasthetsberäkningspunkt som anges i flygplanet och temperaturfältet vid motsvarande punkt;

Temperaturfältet för stationärt tillstånd vid den maximala värmebelastningspunkten eller den maximala temperaturskillnaden under flygning och den maximalt tillåtna drifthastigheten i stationärt tillstånd, eller motsvarande temperaturfält för stationärt tillstånd när den högsta tillåtna drifthastigheten i stationärt tillstånd uppnås under flygning.

För de flesta motorer är start ofta det värsta stresstillståndet, så kombinationen av det transienta temperaturfältet under start (när den maximala temperaturskillnaden uppnås) och den maximala driftshastigheten under start bör övervägas.