Đặc tính tải và trạng thái tính toán của đĩa máy nén và tua bin của động cơ máy bay

Đặc tính tải và trạng thái tính toán của đĩa máy nén và tua bin của động cơ máy bay

Mặc dù có sự khác biệt về chức năng và cấu trúc của rotor máy nén và rotor tua bin, nhưng về độ bền, điều kiện làm việc của bánh xe của hai loại này gần như giống nhau. Tuy nhiên, đĩa tua bin có nhiệt độ cao hơn, điều này có nghĩa là môi trường làm việc của đĩa tua bin khắc nghiệt hơn.

Tải trọng mà đĩa máy nén hoặc đĩa tua bin của động cơ máy bay phải chịu như sau:

1. Lực ly tâm khối lượng

Cánh quạt phải chịu được lực ly tâm của cánh quạt và bản thân cánh quạt do rotor quay gây ra. Các điều kiện tốc độ sau đây cần được xem xét khi tính toán độ bền:

Tốc độ hoạt động ở trạng thái ổn định tại điểm tính toán cường độ được chỉ định trong phạm vi bay;

Tốc độ hoạt động ổn định tối đa cho phép được chỉ định trong thông số kỹ thuật của mô hình;

115% và 122% tốc độ hoạt động ổn định tối đa cho phép.

Lưỡi dao, khóa, vách ngăn, bu lông, đai ốc và vít được lắp trên đĩa đều nằm ở mép đĩa bánh xe. Thông thường, mép ngoài của đĩa bánh xe nằm ở đáy rãnh. Giả sử các tải trọng này được phân bổ đều trên bề mặt mép ngoài của đĩa bánh xe, thì tải trọng đồng đều là:

Trong đó F là tổng của tất cả các tải trọng bên ngoài, R là bán kính của đường tròn ngoài của bánh xe và H là chiều rộng trục của mép ngoài của bánh xe.

Khi đáy rãnh mộng và chốt song song với trục quay của đĩa bánh xe, bán kính mép ngoài được lấy là bán kính của vị trí đáy rãnh; khi đáy rãnh mộng và chốt có góc nghiêng theo hướng xuyên tâm với trục quay của đĩa bánh xe, bán kính mép ngoài được lấy gần đúng là giá trị trung bình của bán kính đáy rãnh cạnh trước và cạnh sau.

2. Tải nhiệt

Đĩa bánh xe phải chịu tải nhiệt do quá trình gia nhiệt không đều gây ra. Đối với đĩa máy nén, tải nhiệt thường có thể bỏ qua. Tuy nhiên, khi tỷ số áp suất tổng thể và tốc độ bay của động cơ tăng lên, luồng khí đầu ra của máy nén đã đạt đến nhiệt độ rất cao. Do đó, tải nhiệt của các đĩa trước và sau máy nén đôi khi không thể bỏ qua. Đối với đĩa tua bin, ứng suất nhiệt là yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất sau lực ly tâm. Các loại trường nhiệt độ sau đây cần được xem xét trong quá trình tính toán:

Trường nhiệt độ trạng thái ổn định cho mỗi phép tính cường độ được chỉ định trong phạm vi bay;

Trường nhiệt độ ổn định trong một chu kỳ bay điển hình;

Trường nhiệt độ chuyển tiếp trong một chu kỳ bay điển hình.

Khi ước tính, nếu không thể cung cấp đầy đủ dữ liệu gốc và không có nhiệt độ đo được để tham chiếu, có thể sử dụng các thông số luồng khí theo trạng thái thiết kế và trạng thái tải nhiệt cao nhất để ước tính. Công thức thực nghiệm để ước tính trường nhiệt độ trên đĩa là:

Trong công thức, T là nhiệt độ tại bán kính cần thiết, T0 là nhiệt độ tại lỗ tâm của đĩa, Tb là nhiệt độ tại vành đĩa, R là bán kính tùy ý trên đĩa và chỉ số 0 và b tương ứng với lỗ tâm và vành đĩa.

m=2 tương ứng với hợp kim titan và thép ferritic không làm nguội cưỡng bức;

m=4 tương ứng với hợp kim gốc niken được làm nguội cưỡng bức.

• Đối với đĩa máy nén áp suất cao

Trường nhiệt độ trạng thái ổn định:

Khi không có luồng không khí làm mát, có thể coi như không có sự chênh lệch nhiệt độ;

Khi có luồng không khí làm mát, Tb có thể được coi gần đúng là nhiệt độ đầu ra của luồng không khí ở mỗi mức của kênh + 15℃và T0 có thể được coi là nhiệt độ đầu ra của luồng không khí ở mức luồng không khí làm mát hút + 15℃.

Trường nhiệt độ tạm thời:

Tb có thể được coi là nhiệt độ đầu ra của mỗi mức luồng khí trong kênh;

T0 có thể được coi là xấp xỉ 50% nhiệt độ vành bánh xe khi không có luồng khí làm mát; khi có luồng khí làm mát, có thể được coi là xấp xỉ nhiệt độ đầu ra của giai đoạn hút luồng khí làm mát.

• Đối với đĩa tuabin

Trường nhiệt độ trạng thái ổn định:

Tb0 là nhiệt độ mặt cắt ngang của gốc cánh quạt; △T là độ giảm nhiệt độ của mộng, có thể được tính gần đúng như sau: △T = 50-100℃ khi mộng không được làm mát; △T = 250-300℃ khi mộng nguội đi.

Trường nhiệt độ tạm thời:

Đĩa có cánh làm mát có thể được xấp xỉ như sau: độ dốc nhiệt độ tạm thời = 1.75 × sự chênh lệch nhiệt độ ở trạng thái ổn định;

Đĩa không có cánh làm mát có thể được ước tính như sau: độ dốc nhiệt độ tạm thời = 1.3 × sự chênh lệch nhiệt độ ở trạng thái ổn định.

3. Lực khí (lực dọc trục và lực chu vi) được truyền bởi các cánh quạt và áp suất khí ở đầu trước và đầu sau của cánh quạt

• Lực khí truyền từ cánh quạt

Đối với cánh máy nén, thành phần lực khí tác dụng lên chiều cao cánh đơn vị là:

Trục:

Trong đó Zm và Q là bán kính trung bình và số lượng cánh quạt; ρ1m và ρ2m là mật độ luồng không khí tại các phần vào và ra; C1am và C2am là vận tốc trục của luồng không khí tại bán kính trung bình của các phần vào và ra; p1m và p2m là áp suất tĩnh của luồng không khí tại bán kính trung bình của các phần vào và ra.

Hướng chu vi:

• Đối với cánh tuabin

Hướng của lực khí tác dụng lên khí khác với hai công thức trên theo dấu âm. Nhìn chung có một áp suất nhất định trong khoang giữa hai cánh quạt (đặc biệt là cánh quạt máy nén). Nếu áp suất trong các không gian liền kề khác nhau, sẽ gây ra chênh lệch áp suất trên cánh quạt giữa hai khoang, △p=p1-p2. Nói chung, △p có ảnh hưởng nhỏ đến độ bền tĩnh của cánh quạt, đặc biệt là khi có lỗ ở nan hoa cánh quạt, △p có thể bị bỏ qua.

4.Mô men quay hồi chuyển được tạo ra trong quá trình bay điều khiển

Đối với đĩa quạt có đường kính lớn với cánh quạt, cần xem xét tác động của mômen hồi chuyển đến ứng suất uốn và biến dạng của đĩa.

5.Tải trọng động được tạo ra bởi sự rung động của lưỡi và đĩa

Ứng suất rung sinh ra trong đĩa khi các cánh và đĩa rung phải được chồng lên ứng suất tĩnh. Tải trọng động chung là:

Lực khí không đồng đều tuần hoàn trên các cánh quạt. Do có giá đỡ và buồng đốt riêng biệt trong kênh dòng chảy, luồng khí không đều dọc theo chu vi, tạo ra lực kích thích khí không cân bằng tuần hoàn trên các cánh quạt. Tần số của lực kích thích này là: Hf = ωm. Trong số đó, ω là tốc độ của rô-to động cơ và m là số giá đỡ hoặc buồng đốt.

Áp suất khí không đồng đều theo chu kỳ trên bề mặt đĩa.

Lực kích thích truyền đến đĩa thông qua trục kết nối, vòng kết nối hoặc các bộ phận khác. Điều này là do sự mất cân bằng của hệ thống trục, gây ra rung động của toàn bộ máy hoặc hệ thống rotor, do đó khiến đĩa kết nối rung động cùng nhau.

Có những lực giao thoa phức tạp giữa các cánh của tua-bin đa rô-to, điều này sẽ ảnh hưởng đến độ rung của hệ thống đĩa và tấm.

Rung động ghép đĩa. Rung động ghép cạnh đĩa liên quan đến đặc tính rung động vốn có của hệ thống đĩa. Khi lực kích thích tác dụng lên hệ thống đĩa gần với một bậc tần số động nhất định của hệ thống, hệ thống sẽ cộng hưởng và tạo ra ứng suất rung động.

6.Ứng suất lắp ráp tại điểm kết nối giữa đĩa và trục

Sự khớp giao thoa giữa đĩa và trục sẽ tạo ra ứng suất lắp ráp trên đĩa. Độ lớn của ứng suất lắp ráp phụ thuộc vào sự khớp giao thoa, kích thước và vật liệu của đĩa và trục, và liên quan đến các tải khác trên đĩa. Ví dụ, sự tồn tại của tải ly tâm và ứng suất nhiệt độ sẽ mở rộng lỗ tâm của đĩa, giảm sự giao thoa và do đó giảm ứng suất lắp ráp.

Trong số các tải trọng được đề cập ở trên, lực ly tâm khối lượng và tải trọng nhiệt là các thành phần chính. Khi tính toán độ bền, cần xem xét các kết hợp sau đây của tốc độ quay và nhiệt độ:

Tốc độ của mỗi điểm tính toán cường độ được chỉ định trong phạm vi bay và trường nhiệt độ tại điểm tương ứng;

Trường nhiệt độ trạng thái ổn định tại điểm tải nhiệt tối đa hoặc chênh lệch nhiệt độ tối đa trong chuyến bay và tốc độ hoạt động trạng thái ổn định tối đa cho phép, hoặc trường nhiệt độ trạng thái ổn định tương ứng khi đạt được tốc độ hoạt động trạng thái ổn định tối đa cho phép trong chuyến bay.

Đối với hầu hết các động cơ, cất cánh thường là trạng thái ứng suất tồi tệ nhất, do đó cần phải xem xét sự kết hợp giữa trường nhiệt độ tạm thời trong quá trình cất cánh (khi đạt đến mức chênh lệch nhiệt độ tối đa) và tốc độ vận hành tối đa trong quá trình cất cánh.