Caractéristiques de charge et état des calculs des disques compresseurs et turbines des moteurs d'avion

Caractéristiques de charge et état des calculs des disques compresseurs et turbines des moteurs d'avion

Bien que les fonctions et les structures des rotors de compresseur et de turbine diffèrent, en termes de résistance, les conditions de travail des roues des deux sont approximativement les mêmes. Cependant, le disque de turbine fonctionne à une température plus élevée, ce qui signifie que son environnement de travail est plus sévère.

Les charges supportées par le disque de compresseur ou de turbine d'un moteur d'avion sont les suivantes :

1. Force centrifuge de masse

L'impeller doit résister à la force centrifuge générée par les pales et l'impeller lui-même en raison de la rotation du rotor. Les conditions de vitesse suivantes doivent être prises en compte dans les calculs de résistance :

Vitesse de fonctionnement en régime stable au point de calcul de résistance défini dans l'enveloppe de vol ;

Vitesse maximale de fonctionnement en régime stable spécifiée dans les caractéristiques du modèle ;

115 % et 122 % de la vitesse maximale de fonctionnement en régime stable autorisée.

Les lames, verrous, déflecteurs, boulons, écrous et vis installés sur le disque sont tous situés au bord du disque de la roue. Généralement, le bord extérieur du disque de la roue est à la base de l'encoche. En supposant que ces charges soient réparties uniformément sur la surface du bord extérieur du disque de la roue, la charge uniforme est :

Où F est la somme de toutes les charges externes, R est le rayon du cercle extérieur de la roue, et H est la largeur axiale du bord extérieur de la roue.

Lorsque le fond de l'encoche est parallèle à l'axe de rotation du disque de la roue, le rayon du bord extérieur est pris comme le rayon de la position où se trouve le fond de l'encoche ; lorsque le fond de l'encoche présente un angle d'inclinaison dans la direction radiale par rapport à l'axe de rotation du disque de la roue, le rayon du bord extérieur est approximativement pris comme la valeur moyenne des rayons des fonds d'encoche des bords avant et arrière.

2. Charge thermique

Le disque de roue doit supporter la charge thermique causée par un chauffage inégal. Pour le disque de compresseur, la charge thermique peut généralement être négligée. Cependant, avec l'augmentation du rapport de pression total du moteur et de la vitesse de vol, l'écoulement d'air à la sortie du compresseur a atteint une température très élevée. Par conséquent, la charge thermique des disques avant et après le compresseur n'est parfois pas négligeable. Pour le disque de turbine, le stress thermique est le facteur d'influence le plus important après la force centrifuge. Les types de champs de température suivants doivent être pris en compte lors du calcul :

Champ de température en régime permanent pour chaque calcul de résistance spécifié dans l'enveloppe de vol ;

Champ de température en régime permanent dans un cycle de vol typique ;

Champ de température de transition dans un cycle de vol typique.

Lors de l'estimation, si les données originales ne peuvent pas être entièrement fournies et qu'il n'y a aucune température mesurée de référence, les paramètres d'écoulement d'air sous l'état de conception et l'état de charge thermique maximale peuvent être utilisés pour l'estimation. La formule empirique pour estimer le champ de température sur le disque est :

Dans la formule, T est la température au rayon requis, T0 est la température au centre du disque, Tb est la température au bord du disque, R est un rayon arbitraire sur le disque, et les indices 0 et b correspondent respectivement au centre et au bord.

m=2 correspond aux alliages de titane et aux aciers ferritiques sans refroidissement forcé ;

m=4 correspond aux alliages à base de nickel avec refroidissement forcé.

• Pour le disque de compresseur haute pression

Champ de température en régime permanent :

En l'absence d'écoulement d'air de refroidissement, il peut être considéré qu'il n'y a pas de différence de température ;

Lorsqu'il y a un flux d'air de refroidissement, Tb peut être approximativement pris comme la température de sortie de l'air au niveau de chaque canal + 15 ℃ , et T0 peut être approximativement pris comme la température de sortie de l'air au niveau du flux d'extraction de refroidissement + 15 ℃ .

Champ de température transitoire :

Tb peut être approximativement pris comme la température de sortie de l'air à chaque niveau du canal;

T0 peut être approximativement pris comme 50 % de la température de la jante lorsqu'il n'y a pas de flux d'air de refroidissement ; lorsqu'il y a un flux d'air de refroidissement, il peut être approximativement pris comme la température de sortie de l'étage d'extraction du flux de refroidissement.

• Pour le disque de turbine

Champ de température en régime permanent :

Tb0 est la température en coupe de la racine de la lame; △ T est la baisse de température du tenon, qui peut être prise approximativement comme suit : △ T=50-100 ℃ lorsque le tenon n'est pas refroidi; △ T=250-300 ℃ lorsque l'entraînement est refroidi.

Champ de température transitoire :

Le disque avec les ailettes de refroidissement peut être approximé comme suit : gradient de température transitoire = 1,75 × gradient de température à régime permanent ;

Le disque sans ailettes de refroidissement peut être approximé comme suit : gradient de température transitoire = 1,3 × gradient de température à régime permanent.

3. Force du gaz (force axiale et circonférentielle) transmise par les pales et la pression du gaz sur les extrémités avant et arrière de l'impeller

• Force du gaz transmise par les pales

Pour les pales de compresseur, la composante de la force du gaz agissant sur l'unité de hauteur de pale est :

Axial :

Où Zm et Q sont le rayon moyen et le nombre de pales; ρ 1m et ρ 2m sont la densité du flux d'air aux sections d'entrée et de sortie; C1am et C2am sont la vitesse axiale du flux d'air au rayon moyen des sections d'entrée et de sortie; p1m et p2m sont la pression statique du flux d'air au rayon moyen des sections d'entrée et de sortie.

Direction circonférentielle :

• Pour les pales de turbine

La direction de la force exercée par le gaz est différente des deux formules ci-dessus par un signe négatif. Il y a généralement une certaine pression dans la cavité entre les deux étages de l'impeller (en particulier pour l'impeller de compresseur). Si la pression dans les espaces adjacents est différente, cela provoquera une différence de pression entre les deux cavités de l'impeller, △ p = p1 - p2. Généralement, △ p a peu d'effet sur la résistance statique de l'impeller, surtout lorsqu'il y a un trou dans la branche de l'impeller, △ p peut être négligé.

4.Couple gyroscopique généré pendant le vol de manœuvre

Pour les disques de ventilateur de grand diamètre avec des pales, l'effet des moments gyroscopiques sur le stress de flexion et la déformation du disque doit être pris en compte.

5.Charges dynamiques générées par la vibration des pales et du disque

Le stress de vibration généré dans le disque lorsque les pales et les disques vibrent doit être superposé au stress statique. Les charges dynamiques générales sont :

La force gazeuse périodiquement non uniforme sur les pales. En raison de la présence de l'étrier et de la chambre de combustion séparée dans le canal de flux, l'écoulement d'air est inégal le long de la circonférence, ce qui produit une force excitatrice gazeuse périodiquement déséquilibrée sur les pales. La fréquence de cette force excitatrice est : Hf = ω m. Parmi eux, ω est la vitesse du rotor du moteur, et m est le nombre d'étriers ou de chambres de combustion.

La pression gazeuse périodiquement non uniforme sur la surface du disque.

La force excitatrice transmise au disque par l'arbre connecté, l'anneau de connexion ou d'autres parties. Cela est dû à l'imbalance du système d'arbre, qui provoque les vibrations de toute la machine ou du système rotor, entraînant ainsi le disque connecté à vibrer en même temps.

Il existe des forces d'interférence complexes entre les pales du turbomachine multi-rotor, ce qui affecte les vibrations du système disque et plaque.

Vibration de couplage du disque. La vibration de couplage du bord du disque est liée aux caractéristiques vibratoires intrinsèques du système disque. Lorsque la force excitatrice sur le système disque est proche d'une certaine fréquence dynamique du système, celui-ci résonnera et engendrera un stress vibratoire.

6.Contrainte d'assemblage à la connexion entre le disque et l'arbre

Le collage interférentiel entre le disque et l'arbre générera un stress d'assemblage sur le disque. L'intensité du stress d'assemblage dépend du collage interférentiel, de la taille et du matériau du disque et de l'arbre, et est lié aux autres charges appliquées au disque. Par exemple, l'existence d'une charge centrifuge et d'un stress thermique agrandira l'ouverture centrale du disque, réduira l'interférence, et par conséquent diminuera le stress d'assemblage.

Parmi les charges mentionnées ci-dessus, la force centrifuge de masse et la charge thermique sont les composantes principales. Lors du calcul de la résistance, les combinaisons suivantes de vitesse de rotation et de température doivent être prises en compte :

La vitesse de chaque point de calcul de résistance spécifié dans l'enveloppe de vol et le champ de température au point correspondant ;

Le champ de température à régime atteint au point de charge thermique maximale ou la plus grande différence de température en vol et la vitesse de fonctionnement à régime stabilisé maximale autorisée, ou le champ de température correspondant à régime stabilisé lorsque la vitesse de fonctionnement à régime stabilisé maximale autorisée est atteinte en vol.

Pour la plupart des moteurs, le décollage est souvent l'état de contrainte le plus défavorable, il convient donc de prendre en compte la combinaison du champ de température transitoire lors du décollage (lorsque la plus grande différence de température est atteinte) et la vitesse de fonctionnement maximale lors du décollage.