Havacılık motorlarının sıkıştırıcı ve türbin diski yükleme özellikleri ve hesaplama durumu

Havacılık motorlarının sıkıştırıcı ve türbin diski yükleme özellikleri ve hesaplama durumu

Kompresör ve türbin rotorlarının fonksiyonları ve yapıları arasında farklılıklar olsa da, dayanım açısından iki tekerleğin çalışma koşulları neredeyse aynıdır. Ancak, türbin diski daha yüksek bir sıcakta bulunur, bu da türbin diskinin çalışma ortamının daha sert olduğunu gösterir.

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

1. Kütle Merkezi Çıkarılabilir Kuvvet

Turbinye bağlı kolların ve kendisinin rotasyonundan kaynaklanan merkezkaç kuvvetine dayanması gerekir. Dayanım hesabı için aşağıdaki hız durumları göz önüne alınmalıdır:

Uçuş zarfı içinde belirtilen dayanım hesabı noktasındaki durağan durumda işleyen hız;

Model belirtimlerinde belirtilen maksimum izin verilen durağan durumda işleyen hız;

maksimum izin verilen durağan durumda işleyen hızın %115'i ve %122'si.

Kıvama monte edilen bıçaklar, kilitler, engelleyiciler, çiviler, viteler ve tuğlalar tümüyle tekerlek kıvamının kenarında yer almaktadır. Genellikle, tekerlek kıvamının dış kenarı yuva tabanında bulunmaktadır. Bu yükler tekerlek kıvamının dış kenarının yüzeyinde eşit olarak dağıtıldığı varsayıldığında, eşit yükleme şu şekildedir:

Burada F, tüm harici yüklerin toplamıdır, R tekerleğin dış dairenin yarıçapıdır ve H tekerleğin dış kenarının eksenel genişliğidir.

Yuva tabanı tekerlek kıvamının dönme ekseniyle paralelse, dış kenar yarıçapı yuva tabanının bulunduğu konumun yarıçapı olarak alınır; yuva tabanı tekerlek kıvamının dönme ekseniyle radyal yönde bir eğim açısı içermişse, dış kenar yarıçapı ön ve arka kenar yuva tabanı yarıçaplarının ortalama değeri olarak yaklaşık olarak alınır.

2. Termal Yük

Tekerlek diski, düzensiz ısıtma nedeniyle oluşan termal yükü taşımak zorundadır. Sıkıcı diski için genellikle termal yük görmezden gelebilir. Ancak, motorun toplam basınç oranı ve uçuş hızının artmasıyla beraber, sıkıcı çıkış hava akımı çok yüksek bir sıcaklığa ulaşmıştır. Bu nedenle, sıkıcıdan önce ve sonraki disklerin termal yükü bazen ihmal edilebilir olmamaktadır. Turbine diski için ise merkezkaç kuvvetinden sonra termal stres en önemli etkileyici faktördür. Hesaplamalar sırasında aşağıdaki sıcaklık alan türleri göz önüne alınmalıdır:

Uçuş zarfında belirtilen her bir dayanım hesabına yönelik kararlı durum sıcaklık alanı;

Tipik bir uçuş döngüsündeki kararlı durum sıcaklık alanı;

Tipik bir uçuş döngüsündeki geçiş sıcaklık alanı.

Tahmin yaparken, orijinal veriler tam olarak sağlanamıyorsa ve ölçülmüş bir sıcaklık referansı yoksa, tasarım durumu ve en yüksek ısı yükü durumu altındaki hava akımı parametreleri tahmin için kullanılabilir. Disk üzerindeki sıcaklık alanını tahmin etmek için kullanılan deneyimsel formul şu şekildedir:

Formülde, T, istenen yarıçapdaki sıcaklığı, T0 diskin merkez deliğindeki sıcaklığı, Tb diskin kenarında olan sıcaklığı, R ise disk üzerindeki herhangi bir yarıçaptır ve 0 ve b alt indisleri sırasıyla merkez deliği ve kenara karşılık gelir.

m=2, zorlamalı soğutma olmayan titan alaşımı ve ferritik çeliğe karşılık gelir;

m=4, zorlamalı soğutma ile nickel tabanlı alaşımına karşılık gelir.

• Yüksek basınçlı sıkıcı diski için

Durağan sıcaklık alanı:

Soğutma havası akımı yoksa, sıcaklık farkının olmadığı kabul edilebilir;

Soğutma hava akımı olduğunda, Tb yaklaşık olarak kanalın her seviyesindeki hava akımının çıkış sıcaklığı + 15 olarak alınabilir ℃ ve T0, soğutma hava akımı seviyesindeki hava akımının çıkış sıcaklığı + 15 olarak alınabilir ℃ .

Geçiş sıcaklık alanı:

Tb, kanal hava akımının her seviyesinin çıkış sıcaklığı olarak alınabilir;

Soğutma hava akımı yoksa, T0 tekerlek çemberi sıcaklığının %50'i olarak alınabilir; soğutma hava akımı varsa, soğutma hava akımı çıkarma aşamasının çıkış sıcaklığı olarak alınabilir.

• Turbine diski için

Durağan sıcaklık alanı:

Tb0, bıçak kökünün kesit sıcaklığıdır; △ T, muntazam sıcaklık düşüşü olup, yaklaşık olarak şu şekilde alınabilir: △ T=50-100 ℃ muntazam soğutulmuyorsa; △ T=250-300 ℃ kasa soğutulduğunda.

Geçiş sıcaklık alanı:

Soğutma bıçaklarıyla disk şu şekilde yaklaşımlandırılabilir: geçici sıcaklık gradiyatı = 1.75 × durağan sıcaklık gradiyatı;

Soğutma bıçakları olmayan disk şu şekilde yaklaşımlandırılabilir: geçici sıcaklık gradiyatı = 1.3 × durağan sıcaklık gradiyatı.

3. Bıçaklar tarafından ve pervane ön ve arkası üzerindeki gaz basıncı tarafından iletilen gaz kuvveti (eksenel ve çevresel kuvvet)

• Bıçaklar tarafından iletilen gaz kuvveti

Sıkıştırıcı bıçakları için, birim bıçak yüksekliğine etki eden gaz kuvveti bileşeni şu şekildedir:

Eksenel:

Zm ve Q, ortalama yarıçap ve pala sayısıdır; ρ 1m ve ρ 2m, giriş ve çıkış bölmelerindeki hava akımının yoğunluğudur; C1am ve C2am, giriş ve çıkış bölmelerinin ortalama yarıçaplarındaki hava akımının aksal hızıdır; p1m ve p2m, giriş ve çıkış bölmelerinin ortalama yarıçaplarındaki hava akımının statik basıncıdır.

Çevresel yön:

• Turbine paları için

Gaz üzerindeki gaz kuvveti yönü, yukarıdaki iki formülle bir negatif işaret farkıyla farklıdır. İki aşamalı impeller arasında (özellikle sıkıcı impeller) genellikle belirli bir basınç vardır. Komşu alanlardaki basınçlar farklıysa, iki boşluk arasındaki impellerde basınç farkı oluşacaktır, △ p=p1-p2. Genellikle, △ p, impellerin statik dayanımına az etkiler, özellikle impellerin tekerleklerinde delik varsa, △ p yoksayılabilir.

4.Manevra uçuş sırasında oluşan jiroskopik扭矩

Turbine türbini fan bıçaklarıyla birlikte büyük çaplı fan diskleri için, diskteki eğilme gerilmeye ve deformasyonuna jiroskopik anların etkisi göz önüne alınmalıdır.

5.Bıçak ve disk titreşimi tarafından oluşturulan dinamik yükler

Bladeler ve diskler titreşirken diskin içinde üretilen titreşim gerilimi statik gerilimle birleştirilmelidir. Genel dinamik yükler şunlardır:

Bladeler üzerinde periyodik düzensiz gaz kuvveti. Takım ve ayrı yanma odalarının akış kanalında varlığı nedeniyle çevred boyunca hava akımı düzensizdir, bu da bladeler üzerinde periyodik dengesiz bir gaz uyandırma kuvveti üretir. Bu uyandırma kuvvetinin frekansı: Hf = ω m. Bunların arasında ω motor rotorunun hızıdır ve m takımların veya yanma odalarının sayısıdır.

Disk yüzeyindeki periyodik düzensiz gaz basıncı.

Bağlantılı şaft, bağlantı halkası veya diğer parçalar aracılığıyla diske aktarılan heyecan verici kuvvet. Bu, şaft sisteminin dengesizliğinden kaynaklanır ve bu da makinenin veya rotor sisteminin tamamının titreşimine neden olur, böylece bağlantılı disk de beraberinde titreşir.

Çoklu rotorlu türbinin bıçakları arasında karmaşık bozulma kuvvetleri vardır, bu da diskin ve plaka sisteminin titreşimini etkiler.

Disk koplama titreşimi. Disk kenarında koplamalı titreşim, disk sisteminin özsel titreşim özelliklerine bağlıdır. Disk sistemindeki heyecan verici kuvvet, sistemin belirli bir mertebe dinamik frekansına yaklaştığında, sistem rezonans geçirir ve titreşim gerilmesi oluşturur.

6.Dışa ve şaft arasındaki montaj gerilmeleri

Küre ve manda arasındaki girişim uyumusu, kürede montaj gerilimi oluşturacaktır. Montaj geriliminin büyüklüğü, girişim uyumusu, kürenin ve mandalının boyutu ve malzemesine bağlıdır ve küredeki diğer yüklerle ilişkilidir. Örneğin, merkezi kuvvet yükünün ve sıcaklık geriliminin varlığı, kürenin merkezi deliğini genişletecek, girişimi azaltacak ve böylece montaj gerilimini de azaltacaktır.

Yukarıda bahsedilen yüklere göre, kütle merkezi kuvveti ve termal yükleme ana bileşenlerdir. Dayanım hesapları yaparken, aşağıdaki dönme hızı ve sıcaklık kombinasyonları göz önüne alınmalıdır:

Uçuş zarfında belirtilen her bir dayanım hesabı noktasındaki hız ve o noktadaki karşılık gelen sıcaklık alanı;

Maksimum ısı yükü noktası için dengede sıcaklık alanı veya uçuştaki maksimum sıcaklık farkı ve maksimum izin verilen dengede işleyiş hızı, veya uçuşta maksimum izin verilen dengede işleyiş hızına ulaşıldığında karşılık gelen dengede sıcaklık alanı.

Çoğu motor için, kalkış sıklıkla en kötü stres durumu olduğundan, kalkışta (maksimum sıcaklık farkına ulaşıldığında) geçici sıcaklık alanının ve kalkışta maksimum işleyiş hızının birleşimi göz önüne alınmalıdır.