Нагрузителни характеристики и състояние на изчисленията за компресорни и турбинни дискове на авиационни двигатели

Нагрузителни характеристики и състояние на изчисленията за компресорни и турбинни дискове на авиационни двигатели

Въпреки че има разлики в функциите и структурата на компресорните и турбинните ротори, по отношение на силата, работните условия на дисковете на двете са приблизително едни и същи. Всичко пак, турбинния диск е под висока температура, което означава, че работната среда на турбинния диск е по-строга.

Нагрузките, които понясят компресорният или турбинният диск на авиен мотор, са следните:

1. Центробежна сила на масата

Импелерът трябва да издържа центробежната сила на лопатките и самия импелер, причинена от въртенето на ротора. При изчисленията за прочност трябва да се вземат предвид следните скоростни условия:

Стандратна операционна скорост в точката за изчисление на прочността, определена в летния контур;

Максимална позволима стационарна операционна скорост, указана в спецификацията на модела;

115% и 122% от максималната позволима стационарна операционна скорост.

Лезищата, замъчките, разделящите елементи, болтовете, връвките и винтовете, инсталирани на диска, се намират всички на края на коловрата. Обикновено външния край на коловрата е в дъното на борозда. Предполагайки, че тези тежести са равномерно разпределени по повърхнината на външния край на коловрата, равномерната тегловина е:

Където F е сумата от всички външни тежести, R е радиусът на външния кръг на колата, а H е аксиалната ширина на външния край на колата.

Когато дъното на щомбикова борозда е успоредно на оста на въртене на коловрата, радиусът на външния край се взема като радиусът на позицията, където се намира дъното на борозда; когато дъното на щомбиковата борозда има наклонен ъгъл в радиалната посока спрямо оста на въртене на коловрата, радиусът на външния край се приема приблизително като средната стойност на радиусите на дъното на бороздите преди и след.

2. Термична тегловина

Дискът на колелото трябва да издържа термическата тежест, причинена от неравномерно затопляне. За компресорния диск, термическата тежест може общо взето да се игнорира. Всъщност, с увеличаването на общия притисък на двигателите и скоростта на летене, температурата на изходящия въздух от компресора е достигнала много висока стойност. Следователно, термическата тежест на дисковете преди и след компресора понякога не може да се пренебрегне. За турбинния диск, термическият стрес е най-важният фактор след центробежната сила. При изчисленията трябва да се имат предвид следните видове температурни полета:

Стационарно температурно поле за всяко зададено изчисление на прочуството в летния контур;

Стационарно температурно поле в типичен летен цикъл;

Транзиционно температурно поле в типичен летен цикъл.

При оценката, ако оригиналните данни не могат да бъдат напълно предоставени и няма измерена температура за-reference, параметрите на въздушния поток при проектния състояние и най-високото термично заредено състояние могат да се използват за оценка. Емпиричната формула за оценяване на температурното поле на диска е:

В формулата T е температурата при необходимия радиус, T0 е температурата в централната дупка на диска, Tb е температурата по обода на диска, R е произволен радиус на диска, а индексите 0 и b отговарят съответно на централната дупка и обод.

m=2 отговаря на титанов сплав и феритна стомана без принудително охлаждане;

m=4 отговаря на никелов сплав с принудително охлаждане.

• За високоогнен компресорен диск

Стационарно температурно поле:

Когато няма охлаждащ въздушен поток, може да се счита, че няма температурна разлика;

Когато има охлаждащ въздушен поток, Tb може да се приеме приблизително като температурата на изходящия въздух на всеки етап от канала + 15 ℃ , а T0 може да се приеме приблизително като температурата на изходящия въздух на нивото за охлаждане + 15 ℃ .

Превременно температурно поле:

Tb може да се приеме приблизително като температурата на изходящия въздух на всеки етап от канала;

T0 може да се приеме приблизително като 50% от температурата на диска, когато няма охлаждащ въздушен поток; когато има охлаждащ въздушен поток, той може да се приеме приблизително като температурата на изходящия въздух на етапа за извличане.

• За турбинния диск

Стационарно температурно поле:

Tb0 е поперечната температура на корена на лопастта; △ T е температурното намаление на зъбчето, което може да се приеме приблизително по следния начин: △ T=50-100 ℃ когато зъбчето не се охлажда; △ T=250-300 ℃ когато шипът е охлаждан.

Превременно температурно поле:

Дискът с охлаждащи лопатки може да бъде приближено описан по следния начин: променлив градиент на температурата = 1.75 × стабилен градиент на температурата;

Дискът без охлаждащи лопатки може да бъде приближено описан по следния начин: променлив градиент на температурата = 1.3 × стабилен градиент на температурата.

3. Газова сила (аксиална и окръжна сила), предавана от лопатките и газовото налягане върху фронталните и задните части на импелера

• Газова сила, предавана от лопатките

За компресорните лопатки, газовата сила, действаща върху единичната височина на лопатката, е:

Аксиално:

Където Zm и Q са средното радиус и броят на лопата; ρ 1м и ρ 2м са плътността на въздушния поток при входната и изходната секция; C1am и C2am са аксиалната скорост на въздух при средното радиус на входната и изходната секция; p1m и p2m са статическото налягане на въздуха при средното радиус на входната и изходната секция.

Обиколен посок:

• За турбинни лопатки

Посоката на газовата сила върху газа е различна от двете посочени по-горе формули само с отрицателен знак. Обикновено има определено налягане в пространството между двустепенните импелери (особено компресорните импелери). Ако налягането в съседните пространства е различно, това ще причини разлика в налягането между двата пространства на импелера, △ p = p1 - p2. Обикновено, △ p малко влияе върху статичната сила на импелера, особено когато има дупка в спейка на импелера, △ p може да се игнорира.

4.Гироскопичен момент, породен по време на маневриращ полет

За голямодиаметрови вентилаторни дискове с вентилаторни лопатки, трябва да се има предвид влиянието на гироскопичните моменти върху извивното напрежение и деформацията на диска.

5.Динамични натоварвания, породени от вибрацията на лопатките и диска

Вибрационното напрежение, породено в диска когато лопатките и дискът вибрират, трябва да се суперпозира с статичното напрежение. Общите динамични натоварвания са:

Периодично неuniformно газово усилие върху лопатките. Поради наличието на скоба и отделната горещностна камера в потока, воденото течение е неравномерно по обиколката, което произвежда периодично несъответствие на газово възбудително усилие върху лопатките. Честотата на това възбудително усилие е: Hf = ω m. Сред тях, ω е скоростта на двигателния ротор, а m е броят на скобите или горещностните камери.

Периодично неuniformно газово налягане върху повърхността на диска.

Възбудителната сила, предавана на диска през свързаното вала, свързващото кръгло или други части. Това е поради несъответствието на валовата система, което води до вибрацията на цялата машина или роторната система, по този начин привежда свързания диск да вибрира заедно.

Има сложни помешани сили между лопатките на многоруторния турбинен агрегат, които ще повлият върху вибрациите на системата от дискове и плочи.

Вибрация при съединяване на дисковете. Вибрацията на ръбовете на дисковете е свързана с вътрешните вибрационни характеристики на системата от дискове. Когато възбудителната сила върху дисковата система е близка до определен ред на динамичната честота на системата, системата ще резонира и ще генерира вибрационен стрес.

6.Монтажен стрес при съединението между диска и вала

Притискът между диска и вала ще създаде монтажен стрес върху диска. Размерът на монтажния стрес зависи от притисканията, размера и материалите на диска и вала, и е свързан с другите натоварвания върху диска. Например, съществуването на центробежно натоварване и температурен стрес ще разшири централната дупка на диска, ще намали притискането и по този начин ще намали монтажния стрес.

Сред посочените натоварвания, масовата центробежна сила и термичното натоварване са основните компоненти. При изчисляване на силата трябва да се вземат предвид следните комбинации от скорост на въртене и температура:

Скоростта на всеки точка за изчисление на силата, определена в летния контур, и температурното поле в съответната точка;

Полето на температурата в стабилно състояние при точката на максималната топлиннаaeda или най-голямата температурна разлика по време на полета и максималната позволима скорост на работа в стабилно състояние, или съответното поле на температурата в стабилно състояние, когато се достига максималната позволима скорост на работа в стабилно състояние по време на полет.

За повечето двигатели, стартирането често е най-лошият стресов сценарий, така че комбинацията от променливото поле на температурите по време на стартиране (когато се достига максималната температурна разлика) и максималната работна скорост по време на стартиране трябва да се има предвид.