Đặc trưng tải trọng và tình trạng tính toán của đĩa nén và tua-bin của động cơ máy bay

Đặc trưng tải trọng và tình trạng tính toán của đĩa nén và tua-bin của động cơ máy bay

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

Các 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

Bánh công tác phải chịu lực ly tâm của cánh và chính bánh công tác do sự quay của rotor. Các điều kiện tốc độ sau đây cần được xem xét trong tính toán độ bền:

Tốc độ vận hành ổn định tại điểm tính toán độ bền được chỉ định trong phạm vi bay;

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

115% và 122% của tốc độ vận hành ổn định tối đa cho phép.

Các lưỡi dao, khóa, baffle, ốc vít, đai ốc và bulong được lắp đặt trên đĩa đều nằm ở mép ngoài của đĩa bánh xe. Thông thường, mép ngoài của đĩa bánh xe nằm ở đáy rãnh. Giả sử rằng các tải trọng này được phân bố đều trên bề mặt mép ngoài của đĩa bánh xe, tải trọng đều là:

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

Khi đáy rãnh mộng nằm song song với trục quay của đĩa bánh xe, bán kính mép ngoài được lấy là bán kính tại vị trí đáy rãnh. Khi đáy rãnh mộng có góc nghiêng theo hướng bán kính 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 trước và sau.

2. Tải nhiệt

Bánh xe đĩa phải chịu tải nhiệt do sự gia nhiệt không đều gây ra. Đối với đĩa nén, tải nhiệt thường có thể bỏ qua. Tuy nhiên, khi tỷ lệ áp suất tổng cộng của động cơ và tốc độ bay tăng lên, luồng khí thải ra từ 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 xem nhẹ. Đối với đĩa turbin, ứng suất nhiệt là yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất sau lực ly tâm. Các loại trường nhiệt sau đây cần được xem xét trong quá trình tính toán:

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

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

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

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

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

m=2 tương ứng với hợp kim titan và thép ferrit không có làm mát ép;

m=4 tương ứng với hợp kim niken có làm mát ép.

• Đối với đĩa máy nén áp suất cao

Trường nhiệt ổn định:

Khi không có dòng khí làm mát, có thể coi là không có sự chênh lệch nhiệt độ;

Khi có luồng khí làm mát, Tb có thể được xem gần đúng là nhiệt độ ra của luồng khí tại mỗi tầng của kênh + 15 ℃ và T0 có thể được xem gần đúng là nhiệt độ ra của luồng khí tại mức trích xuất khí làm mát + 15 ℃ .

Trường nhiệt độ chuyển tiếp:

Tb có thể được xem gần đúng là nhiệt độ ra của luồng khí tại mỗi tầng kênh;

T0 có thể được xem gần đúng là 50% nhiệt độ vành bánh xe khi không có luồng khí làm mát; khi có luồng khí làm mát, nó có thể được xem gần đúng là nhiệt độ ra tại giai đoạn trích xuất khí làm mát.

• Đối với đĩa tua-bin

Trường nhiệt ổn định:

Tb0 là nhiệt độ mặt cắt ngang của gốc lưỡi cánh; △ T là sự giảm nhiệt độ của rãnh kẹp, có thể lấy gần đúng như sau: △ T=50-100 ℃ khi rãnh kẹp không được làm mát; △ T=250-300 ℃ khi thanh mộng được làm mát.

Trường nhiệt độ chuyển tiếp:

Đĩa với các cánh làm mát có thể được xấp xỉ như sau: độ dốc nhiệt độ tức thời = 1.75 × độ dốc nhiệt độ trạng thái ổn định;

Đĩa không có cánh làm mát có thể được xấp xỉ như sau: độ dốc nhiệt độ tức thời = 1.3 × độ dốc nhiệt độ trạng thái ổn định.

3. Lực khí (lực trục và lực theo chu vi) truyền qua các cánh và áp suất khí trên mặt trước và mặt sau của rotor

• Lực khí truyền từ các cánh

Đối với các cánh nén, thành phần lực khí tác động lên chiều cao đơn vị của cánh là:

Trục:

Ở đây Zm và Q là bán kính trung bình và số lượng cánh; ρ 1m và ρ 2m là mật độ dòng khí tại phần vào và ra; C1am và C2am là vận tốc theo phương trục của dòng khí tại bán kính trung bình của phần vào và ra; p1m và p2m là áp suất tĩnh của dòng khí tại bán kính trung bình của phần vào và ra.

Hướng chu vi:

• Đối với các cánh tua-bin

Hướng của lực khí động học trên khí khác với hai công thức trên bởi dấu trừ. Thông thường có một áp suất nhất định trong khoang giữa hai bánh công tác (đặc biệt là bánh công tác của máy nén). Nếu áp suất trong các không gian lân cận khác nhau, sẽ tạo ra một sự chênh lệch áp suất trên bánh công tác giữa hai khoang, △ p=p1-p2. Thông thường, △ p ảnh hưởng rất ít đến độ bền tĩnh của bánh công tác, đặc biệt khi có lỗ trên thanh đỡ của bánh công tác, △ p có thể bị bỏ qua.

4.Mô-men gyroscopic được tạo ra trong quá trình bay thực hiện động tác

Đối với đĩa quạt có đường kính lớn với các cánh quạt, cần xem xét ảnh hưởng của mô-men gyroscopic đến ứng suất uốn và biến dạng của đĩa.

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

Ứng suất do rung động được tạo ra trong đĩa khi lưỡi cánh và đĩa rung động cần được叠加 với ứng suất tĩnh. Các tải trọng động học chung bao gồm:

Lực khí không đều chu kỳ trên các lưỡi cánh. Do sự tồn tại của khung đỡ và buồng đốt riêng lẻ trong kênh dòng chảy, luồng khí dọc theo chu vi là không đều, điều này tạo ra một lực khí kích thích không cân bằng định kỳ trên các lưỡi cánh. Tần số của lực kích thích này là: Hf = ω m. Trong đó, ω là tốc độ của rotor động cơ, và m là số lượng khung đỡ hoặc buồng đốt.

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

Lực kích thích truyền đến đĩa qua trục nối, vành nối hoặc các bộ phận khác. Điều này là do sự mất cân bằng của hệ thống trục, gây ra rung động cho toàn bộ máy móc hoặc hệ thống rotor, từ đó kéo theo đĩa nối rung động cùng.

Có những lực nhiễu phức tạp giữa các cánh của turbin đa rotor, điều này sẽ ảnh hưởng đến sự rung động của hệ thống đĩa và tấm.

Rung động kết hợp của đĩa. Rung động kết hợp ở mép đĩa liên quan đến đặc điểm rung động cố hữu của hệ thống đĩa. Khi lực kích thích trên 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 vị trí kết nối giữa đĩa và trục

Khớp áp giữa đĩa và trục sẽ tạo ra ứng suất lắp ghép trên đĩa. Độ lớn của ứng suất lắp ghép phụ thuộc vào mức độ khớp áp, kích thước và vật liệu của đĩa và trục, và có liên quan đến các tải khác trên đĩa. Ví dụ, sự tồn tại của tải ly tâm và ứng suất nhiệt sẽ làm giãn lỗ trung tâm của đĩa, giảm độ áp, và do đó giảm ứng suất lắp ghép.

Trong số các tải kể trên, lực ly tâm và tải nhiệt là các thành phần chính. Khi tính toán độ bền, cần xem xét các tổ hợp sau của tốc độ quay và nhiệt độ:

Tốc độ tại mỗi điểm tính toán độ bền 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 sự chênh lệch nhiệt độ tối đa trong quá trình bay và tốc độ vận hành trạng thái ổn định cho phép tối đa, hoặc trường nhiệt độ trạng thái ổn định tương ứng khi đạt tốc độ vận hành trạng thái ổn định cho phép tối đa trong quá trình bay.

Đối với hầu hết các động cơ, cất cánh thường là trạng thái ứng suất xấu nhất, vì vậy cần xem xét sự kết hợp giữa trường nhiệt độ chuyển tiếp trong quá trình cất cánh (khi đạt sự chênh lệch nhiệt độ tối đa) và tốc độ vận hành tối đa trong quá trình cất cánh.