Uçak motorlarının kompresör ve türbin disklerinin yük karakteristikleri ve hesaplama durumu

Uçak motorlarının kompresör ve türbin disklerinin yük karakteristikleri ve hesaplama durumu

Kompresör ve türbin rotorlarının işlevleri ve yapıları arasında dayanıklılık açısından farklılıklar olsa da, ikisinin de çarklarının çalışma koşulları hemen hemen aynıdır. Ancak türbin diski daha yüksek bir sıcaklıktadır, bu da türbin diskinin çalışma ortamının daha sert olduğu anlamına gelir.

Bir uçak motorunun kompresör diski veya türbin diski tarafından taşınan yükler şunlardır:

1. Kütle Santrifüj Kuvveti

Pervane, rotorun dönmesiyle oluşan kanatların ve pervanenin kendisinin merkezkaç kuvvetine dayanmalıdır. Güç hesaplamasında aşağıdaki hız koşulları dikkate alınmalıdır:

Uçuş zarfı içerisinde belirtilen mukavemet hesaplama noktasındaki sabit durum çalışma hızı;

Model spesifikasyonunda belirtilen maksimum izin verilen sabit durum çalışma hızı;

Maksimum izin verilen sabit durum çalışma hızının %115'i ve %122'si.

Diske takılan bıçaklar, kilitler, bölmeler, cıvatalar, somunlar ve vidaların hepsi tekerlek diskinin kenarında bulunur. Genellikle, tekerlek diskinin dış kenarı oluğun alt kısmındadır. Bu yüklerin tekerlek diskinin dış kenarının yüzeyine eşit olarak dağıtıldığını varsayarsak, düzgün yük şudur:

Burada F tüm dış yüklerin toplamı, R tekerleğin dış çemberinin yarıçapı ve H tekerleğin dış kenarının eksenel genişliğidir.

Zıvana oluğunun tabanı, tekerlek diskinin dönme eksenine paralel olduğunda, dış kenar yarıçapı, oluğun tabanının bulunduğu konumun yarıçapı olarak alınır; zıvana oluğunun tabanı, tekerlek diskinin dönme ekseniyle radyal yönde eğim açısına sahip olduğunda, dış kenar yarıçapı, yaklaşık olarak ön ve arka kenar oluğu taban yarıçaplarının ortalama değeri olarak alınır.

2. Termal Yük

Tekerlek diski, eşit olmayan ısınmanın neden olduğu termal yükü taşımak zorundadır. Kompresör diski için termal yük genellikle göz ardı edilebilir. Ancak, motorun toplam basınç oranının ve uçuş hızının artmasıyla, kompresör çıkış hava akışı çok yüksek bir sıcaklığa ulaşmıştır. Bu nedenle, kompresörden önce ve sonra disklerin termal yükü bazen ihmal edilebilir düzeyde değildir. Türbin diski için, termal gerilim, santrifüj kuvvetinden sonraki en önemli etki faktörüdür. Hesaplama sırasında aşağıdaki sıcaklık alanı türleri dikkate alınmalıdır:

Uçuş zarfında belirtilen her bir mukavemet hesaplaması için sabit durum sıcaklık alanı;

Tipik bir uçuş döngüsünde sabit durum sıcaklık alanı;

Tipik bir uçuş döngüsündeki geçiş sıcaklığı alanı.

Tahmin yaparken, orijinal veriler tam olarak sağlanamıyorsa ve referans için ölçülen bir sıcaklık yoksa, tasarım durumu ve en yüksek ısı yükü durumu altındaki hava akışı parametreleri tahmin için kullanılabilir. Diskteki sıcaklık alanını tahmin etmek için ampirik formül şudur:

Formülde T, istenen yarıçaptaki sıcaklık, T0, diskin merkez deliğindeki sıcaklık, Tb, diskin kenarındaki sıcaklık, R, disk üzerindeki keyfi bir yarıçap olup, 0 ve b alt simgeleri sırasıyla merkez deliğine ve kenara karşılık gelmektedir.

m=2, zorlamalı soğutma yapılmamış titanyum alaşımı ve ferritik çeliğe karşılık gelir;

m=4, zorlamalı soğutma uygulanmış nikel esaslı alaşıma karşılık gelir.

• Yüksek basınçlı kompresör diski için

Sabit durum sıcaklık alanı:

Soğutma hava akımı olmadığında sıcaklık farkının olmadığı düşünülebilir;

Soğutma hava akışı olduğunda, Tb yaklaşık olarak kanalın her seviyesindeki hava akışının çıkış sıcaklığı + 15 olarak alınabilir℃ve T0, yaklaşık olarak, ekstraksiyon soğutma hava akışı seviyesi + 15'teki hava akışının çıkış sıcaklığı olarak alınabilir℃.

Geçici sıcaklık alanı:

Tb, yaklaşık olarak kanal hava akışının her seviyesinin çıkış sıcaklığı olarak alınabilir;

T0, soğutma hava akışı olmadığında jant sıcaklığının yaklaşık %50'si olarak alınabilir; soğutma hava akışı olduğunda ise soğutma hava akışı çıkarma aşamasının çıkış sıcaklığı olarak yaklaşık olarak alınabilir.

• Türbin diski için

Sabit durum sıcaklık alanı:

Tb0, kanat kökünün kesit sıcaklığıdır; △T, çivinin sıcaklık düşüşüdür ve yaklaşık olarak aşağıdaki şekilde alınabilir: △T=50-100℃ dübel soğutulmadığında; △T=250-300℃ dübel soğuduğunda.

Geçici sıcaklık alanı:

Soğutma kanatlı disk aşağıdaki gibi yaklaşık olarak hesaplanabilir: geçici sıcaklık gradyanı = 1.75 × sabit durum sıcaklık gradyanı;

Soğutma kanatları olmayan disk aşağıdaki gibi yaklaşık olarak hesaplanabilir: geçici sıcaklık gradyanı = 1.3 × sabit durum sıcaklık gradyanı.

3. Kanatlar tarafından iletilen gaz kuvveti (eksenel ve çevresel kuvvet) ve pervanenin ön ve arka uçlarındaki gaz basıncı

• Kanatlardan iletilen gaz kuvveti

Kompresör kanatları için, birim kanat yüksekliğine etki eden gaz kuvveti bileşeni şudur:

eksenel:

Burada Zm ve Q ortalama yarıçap ve kanat sayısını ifade eder; ρ1m ve ρ2m, giriş ve çıkış kesitlerindeki hava akışının yoğunluğudur; C1am ve C2am, giriş ve çıkış kesitlerinin ortalama yarıçapındaki hava akışının eksenel hızıdır; p1m ve p2m, giriş ve çıkış kesitlerinin ortalama yarıçapındaki hava akışının statik basıncıdır.

Çevresel yön:

• Türbin kanatları için

Gaz kuvvetinin gaz üzerindeki yönü, yukarıdaki iki formülden negatif bir işaretle farklıdır. Genellikle iki kademeli çark (özellikle kompresör çarkı) arasındaki boşlukta belirli bir basınç vardır. Eğer bitişik boşluklardaki basınç farklıysa, iki boşluk arasındaki çarkta bir basınç farkı meydana gelir, △p=p1-p2. Genel olarak, △p, özellikle pervane telinde delik olduğunda, pervanenin statik dayanıklılığı üzerinde çok az etkiye sahiptir, △p göz ardı edilebilir.

4.Manevra uçuşu sırasında oluşan jiroskopik tork

Fan kanatlı büyük çaplı fan disklerinde jiroskopik momentlerin diskin eğilme gerilmesi ve deformasyonu üzerindeki etkisi dikkate alınmalıdır.

5.Bıçak ve disk titreşimlerinden kaynaklanan dinamik yükler

Bıçaklar ve diskler titreştiğinde diskte oluşan titreşim gerilimi, statik gerilimle üst üste bindirilmelidir. Genel dinamik yükler şunlardır:

Periyodik olarak kanatlardaki düzensiz gaz kuvveti. Braketin ve akış kanalındaki ayrı yanma odasının varlığı nedeniyle hava akışı çevre boyunca düzensizdir ve bu da kanatlarda periyodik olarak dengesiz bir gaz uyarma kuvveti üretir. Bu uyarma kuvvetinin frekansı: Hf = ωm. Bunların arasında, ω motor rotorunun hızı, m ise braket veya yanma odası sayısıdır.

Disk yüzeyinde periyodik olarak oluşan düzensiz gaz basıncı.

Bağlı şaft, bağlantı halkası veya diğer parçalar aracılığıyla diske iletilen heyecan verici kuvvet. Bu, şaft sisteminin dengesizliğinden kaynaklanır ve bu da tüm makinenin veya rotor sisteminin titreşimine neden olur, böylece bağlı diskin birlikte titreşmesine neden olur.

Çok rotorlu türbinin kanatları arasında, disk ve plaka sisteminin titreşimini etkileyecek karmaşık girişim kuvvetleri bulunmaktadır.

Disk kuplaj titreşimi. Disk kenarı kuplaj titreşimi, disk sisteminin içsel titreşim özellikleriyle ilişkilidir. Disk sistemindeki uyarıcı kuvvet sistemin dinamik frekansının belirli bir mertebesine yakın olduğunda, sistem rezonansa girecek ve titreşim stresi üretecektir.

6.Disk ile şaft arasındaki bağlantıda montaj gerilimi

Disk ile şaft arasındaki sıkıştırma uyumu, diskte montaj gerilimi oluşturacaktır. Montaj geriliminin büyüklüğü sıkıştırma uyumuna, diskin ve şaftın boyutuna ve malzemesine bağlıdır ve diskteki diğer yüklerle ilişkilidir. Örneğin, santrifüj yükü ve sıcaklık geriliminin varlığı diskin merkez deliğini büyütecek, sıkıştırmayı azaltacak ve böylece montaj gerilimini azaltacaktır.

Yukarıda belirtilen yükler arasında kütle santrifüj kuvveti ve termal yük ana bileşenlerdir. Mukavemet hesaplanırken, aşağıdaki dönme hızı ve sıcaklık kombinasyonları dikkate alınmalıdır:

Uçuş zarfında belirtilen her bir kuvvet hesaplama noktasının hızı ve ilgili noktadaki sıcaklık alanı;

Uçuş sırasında maksimum ısı yükü noktasında veya maksimum sıcaklık farkında sabit durum sıcaklık alanı ve izin verilen maksimum sabit durum çalışma hızı veya uçuş sırasında izin verilen maksimum sabit durum çalışma hızına ulaşıldığında buna karşılık gelen sabit durum sıcaklık alanı.

Çoğu motor için kalkış genellikle en kötü stres durumudur, bu nedenle kalkış sırasındaki geçici sıcaklık alanı (maksimum sıcaklık farkına ulaşıldığında) ve kalkış sırasındaki maksimum çalışma hızının birleşimi dikkate alınmalıdır.