Характеристики нагрузки и состояние расчета компрессоров и турбинных дисков авиационных двигателей
Хотя существуют различия в функциях и структурах роторов компрессора и турбины, с точки зрения прочности, условия труда колес двух примерно одинаковы. Тем не менее, турбинный диск находится при более высокой температуре, что означает, что рабочая среда турбинного диска является более резкой.
Нагрузки, несущие компрессорные диск или турбинный диск авиационного двигателя, являются следующими:
Центробежная сила
Работочнее должно противостоять центробежной силе лопастей и самого рабочего колеса, вызванного вращением ротора. Следующие условия скорости должны рассматриваться в расчете силы:
Устойчивая рабочая скорость в точке расчета прочности, указанной в оболочке полета;
Максимально допустимая стационарная рабочая скорость, указанная в спецификации модели;
115% и 122% от максимально допустимой стационарной рабочей скорости.
Лезвия, замки, перегородки, болты, гайки и винты, установленные на диске, расположены на краю колесного диска. Обычно внешний край колесного диска находится в нижней части канавки. Предполагая, что эти нагрузки равномерно распределены на поверхности внешнего края колесного диска, равномерная нагрузка:
Где F - сумма всех внешних нагрузок, r - радиус внешнего круга колеса, а H - осевая ширина внешнего края колеса.
Когда нижняя часть взноса и тона канавки параллельна оси вращения диска колеса, радиус внешнего края принимается в качестве радиуса положения, где расположена нижняя часть канавки; Когда нижняя часть взноса и тона канавки имеет угол наклона в радиальном направлении с осью вращения колесного диска, радиус внешнего края приблизительно принимается в качестве среднего значения радиуса нижней канавки переднего и заднего края.
Тепловая нагрузка
Колесный диск должен нести тепловую нагрузку, вызванную неровным нагревом. Для диска компрессора тепловая нагрузка обычно может быть проигнорирована. Однако с увеличением общего коэффициента давления двигателя и скорости полета воздушный поток компрессора достиг очень высокой температуры. Следовательно, тепловая нагрузка дисков до и после компрессора иногда не является незначительной. Для турбинного диска тепловое напряжение является наиболее важным фактором влияния после центробежной силы. Следующие типы температурных полей следует учитывать во время расчета:
Стационарное температурное поле для каждого расчета прочности, указанного в оболочке полета;
Стационарное температурное поле в типичном полете;
Поле температуры перехода в типичном полете.
При оценке, если исходные данные не могут быть полностью предоставлены, и для справки не существует измеренной температуры, параметры воздушного потока в рамках состояния проектирования и самого высокого состояния тепловой нагрузки могут использоваться для оценки. Эмпирическая формула для оценки поля температуры на диске составляет:
В формуле t - температура в требуемом радиусе, t {{0}} - температура в центральном отверстии диска, TB - температура на ободе диска, r - арбитрарный радиус на диске, а подписки 0 и B соответствуют центральному отверстию и RIM соответственно.
m =2 соответствует титановому сплаву и ферритной стали без принудительного охлаждения;
M =4 соответствует сплаву на основе никеля с принудительным охлаждением.
Для диска компрессора высокого давления
Устойчивое температурное поле:
Когда нет охлаждающего воздушного потока, можно считать, что нет разницы в температуре;
Когда есть охлаждающий воздушный поток, туберкулез может быть приблизительно восприниматься в качестве температуры выхода воздушного потока на каждом уровне канала {{0}} степени, а T0 может быть приблизительно восприниматься как температура выхода воздушного потока на уровне извлечения воздушного потока + 15 степень.
Переходное температурное поле:
ТБ может быть приблизительно воспринят как температура на выходе каждого уровня воздушного потока канала;
T 0 может быть примерно примерно в 50% температуры обода колеса, когда нет охлаждающего воздушного потока; Когда есть охлаждающий воздушный поток, его можно примерно восприниматься как температура на выходе на стадии извлечения воздушного потока.
Для турбинного диска
Устойчивое температурное поле:
TB 0-поперечная температура корня лезвия; △ t - это падение температуры в шину, которое можно принять примерно следующим образом: △ t =50-100 Степень, когда тенон не охлаждается; △ t =250-300 Степень, когда тенон охлаждается.
Переходное температурное поле:
Диск с охлаждающими лопастями может быть аппроксимирован следующим образом: градиент переходной температуры=1. 75 × стабильный градиент температуры;
Диск без охлаждающих лезвий может быть аппроксимирован следующим образом: градиент переходной температуры=1. 3 × стабильный градиент температуры.
Газовая сила (осевая и окружная сила), передаваемые лопастями и давлением газа на передних и задних концах рабочего колеса
Газовая сила, передаваемая из лезвий
Для лезвий компрессора компонент газовой силы, действующий на высоту лезвия единицы:
Осевой:
Где ZM и Q - это средний радиус и количество лезвий; ρ1m и ρ2m являются плотностью воздушного потока на входе и выходе; C1AM и C2AM являются осевой скоростью воздушного потока при среднем радиусе входных и выпускных срезов; P1M и P2M являются статическим давлением воздушного потока при среднем радиусе впускных и выпускных срезов.
Управление по окружности:
Для лопастей турбины
Направление газовой силы на газе отличается от двух формул выше отрицательным знаком. Как правило, в полости между двухэтапным рабочим колесом существует определенное давление (особенно рабочее колесо компрессора). Если давление в соседних пространствах отличается, на рабочем колесе будет вызвана разность давления между двумя полостями, △ p=p 1- p2. Как правило, △ P мало влияет на статическую силу рабочего колеса, особенно когда в спиальном колесе есть отверстие, △ P можно игнорировать.
4.Гироскопический крутящий момент, генерируемый во время маневрирования полета
Для вентиляционных дисков большого диаметра с лезвиями вентилятора следует учитывать влияние гироскопических моментов на изгибающее напряжение и деформацию диска.
5.Динамические нагрузки, генерируемые вибрацией лезвия и диска
Вибрационное напряжение, создаваемое на диске, когда лезвия и диски вибрируют, должно быть наложено со статическим напряжением. Общие динамические нагрузки:
Периодическая неоднородная газовая сила на лезвиях. Из -за присутствия кронштейна и отдельной камеры сгорания в канале потока воздушный поток неровный вдоль окружности, который дает периодическую несбалансированную захватывающую силу газа на лопастях. Частота этой захватывающей силы: hf=ωm. Среди них ω является скоростью ротора двигателя, а M - количество кронштейнов или камеров сгорания.
Периодическое неоднородное давление газа на поверхности диска.
Захватывающая сила, передаваемая на диск через подключенный вал, соединительное кольцо или другие детали. Это связано с дисбалансом системы вала, которая вызывает вибрацию всей машины или системы ротора, тем самым приводя к тому, что подключенный диск вибрирует вместе.
Существуют сложные интерференционные силы между лопастями мульти-роторной турбины, которая повлияет на вибрацию диска и пластинкой.
Диск -сцепление вибрация. Вибрация связи с краем диска связана с неотъемлемыми характеристиками вибрации дисковой системы. Когда захватывающая сила на дисковой системе находится близко к определенному порядку динамической частоты системы, система будет резонировать и создавать вибрационное напряжение.
6.Напряжение в сборе при соединении между диском и валом
Интерференционная подгонка между диском и валом будет создавать напряжение сборки на диск. Величина напряжения сборки зависит от соответствия помех, размера и материала диска и вала и связана с другими нагрузками на диск. Например, существование центробежной нагрузки и температурного напряжения увеличит центральное отверстие диска, уменьшит интерференцию и, таким образом, уменьшит напряжение сборки.
Среди вышеупомянутых нагрузок массовая центробежная сила и тепловая нагрузка являются основными компонентами. При расчете прочности следует учитывать следующие комбинации скорости и температуры вращения:
Скорость каждой точки расчета прочности, указанной в оболочке полета и температурном поле в соответствующей точке;
Устойчивое температурное поле при максимальной точке тепловой нагрузки или максимальной разнице температур в полете и максимально допустимой стационарной рабочей скорости, или соответствующее стационарное температурное поле, когда максимально допустимая стационарная работа достигается во время полета.
Для большинства двигателей взлет часто является наихудшим напряжением, поэтому комбинация поля переходной температуры во время взлета (когда достигается максимальная разница температуры) и следует рассмотреть максимальную рабочую скорость во время взлета.
