Karakteristike opterećenja i status izračunavanja kompresora i turbinskih diskova zrakoplovnih motora
Iako postoje razlike u funkcijama i strukturama rotora kompresora i turbine, u pogledu snage, radni uvjeti kotača njih dvoje su otprilike isti. Međutim, turbinski disk je na višoj temperaturi, što znači da je radno okruženje turbinskog diska oštrije.
Opterećenja s kompresorskom diskom ili turbinskim diskom zrakoplovnog motora su sljedeća:
Masovna centrifugalna sila
Impeler mora izdržati centrifugalnu silu lopatica i samog rotora uzrokovanog rotacijom rotora. Sljedeći uvjeti brzine treba uzeti u obzir u izračunavanju snage:
Radna brzina stabilnog stanja na točki izračuna čvrstoće navedena u omotnici leta;
Maksimalna dopuštena radna brzina u stanju stanja navedena u specifikaciji modela;
115% i 122% maksimalno dopuštene radne brzine u ustaljenom stanju.
Oštrice, brave, pregrade, vijke, matice i vijci ugrađeni na disku nalaze se na rubu diska kotača. Obično je vanjski rub diska kotača na dnu utora. Pod pretpostavkom da su ta opterećenja ravnomjerno raspoređena na površini vanjskog ruba diska kotača, jednoliko opterećenje je:
Gdje je F zbroj svih vanjskih opterećenja, R je polumjer vanjskog kruga kotača, a H je aksijalna širina vanjskog ruba kotača.
Kad je dno mortise i tenon utora paralelno s osi rotacije diska kotača, polumjer vanjskog ruba uzima se kao polumjer položaja na kojem se nalazi dno utora; Kada dno mortize i tenon utor ima kut nagiba u radijalnom smjeru s osovinom rotacije diska kotača, radijus vanjskog ruba približno se uzima kao prosječna vrijednost donjeg polumjera prednjeg i stražnjeg ruba.
Toplinsko opterećenje
Disk kotača mora nositi toplinsko opterećenje uzrokovano neravnomjernim grijanjem. Za kompresorski disk toplinsko opterećenje se obično može zanemariti. Međutim, s povećanjem ukupnog omjera tlaka motora i brzine leta, protok zraka kompresora dostigao je vrlo visoku temperaturu. Stoga toplinsko opterećenje diskova prije i nakon kompresora ponekad nije zanemarivo. Za turbinski disk toplinski je stres najvažniji faktor utjecaja nakon centrifugalne sile. Sljedeće vrste temperaturnih polja trebaju se razmotriti tijekom izračuna:
Polje temperature u ustaljenom stanju za svaki izračun čvrstoće naveden u omotnici leta;
Polje temperature u stanju stanja u tipičnom ciklusu leta;
Polje temperature prijelaza u tipičnom ciklusu leta.
Pri procjeni, ako se izvorni podaci ne mogu u potpunosti pružiti i ne postoji izmjerena temperatura za referencu, parametri protoka zraka u stanju dizajna i najviše stanje toplinskog opterećenja mogu se koristiti za procjenu. Empirijska formula za procjenu temperaturnog polja na disku je:
U formuli je T temperatura na potrebnom polumjeru, t {{{0}} je temperatura na središnjoj rupi diska, TB je temperatura na obodu diska, R je proizvoljni polumjer na disku, a pretplata 0 i B odgovaraju središnjoj rupi i u odnosu
M =2 odgovara leguri i feritnom čeliku titana bez prisilnog hlađenja;
M =4 odgovara leguri na temelju nikla s prisilnim hlađenjem.
Za diskovi kompresora visokog tlaka
Polje temperature u ustaljenom stanju:
Kad nema protoka zraka za hlađenje, može se uzeti u obzir da nema temperaturne razlike;
Kad dođe do rashladnog protoka zraka, TB se može približno uzeti kao temperatura izlaza protoka zraka na svakoj razini kanala {{0}} stupnja, a T0 se može približno uzeti kao temperatura izlaza u protoku zraka u razini zraka za ekstrakciju + 15.
Polje prolaznog temperature:
TB se može približno uzeti kao temperatura izlaza svake razine protoka zraka kanala;
T 0 može se približno uzeti kao 50% temperature naplatka kotača kada nema protoka zraka za hlađenje; Kad dođe do rashladnog zraka, može se približno uzeti kao temperatura izlaza u fazi ekstrakcije zraka za hlađenje.
Za turbinski disk
Polje temperature u ustaljenom stanju:
TB 0 je temperatura poprečnog presjeka korijena noža; △ t je pad temperature tenona, koji se može uzeti približno na sljedeći način: △ t =50-100 stupanj kada se tenon ne ohladi; △ t =250-300 stupanj kada se tenon ohladi.
Polje prolaznog temperature:
Disk s noževima za hlađenje može se aproksimirati na sljedeći način: Prolazni gradijent temperature=1. 75 × gradijent temperature u stabilnom stanju;
Disk bez rashladnih noževa može se aproksimirati na sljedeći način: Prolazni gradijent temperature=1. 3 × gradijent temperature u stabilnom stanju.
Plinska sila (aksijalna i obodna sila) prenesena lopaticama i tlak plina na prednjim i stražnjim krajevima rotora
Plinska sila prenesena s lopatica
Za oštrice kompresora, komponenta plinske sile koja djeluje na visinu jedinične lopatice je:
Aksijalno:
Gdje su ZM i Q prosječni polumjer i broj lopatica; ρ1m i ρ2M su gustoća protoka zraka na ulaznim i izlaznim dijelovima; C1am i C2am su aksijalna brzina protoka zraka pri prosječnom polumjeru ulaznih i izlaznih dijelova; P1M i P2M su statički tlak protoka zraka pri prosječnom polumjeru ulaznih i izlaznih dijelova.
Kružni smjer:
Za turbinske lopatice
Smjer sile plina na plinu razlikuje se od dvije formule iznad negativnih znakova. Općenito postoji određeni pritisak u šupljini između dvostupanjskog rotora (posebno rotora kompresora). Ako je tlak u susjednim prostorima različit, razlika tlaka će biti uzrokovana na rotolu između dvije šupljine, △ p=p 1- p2. Općenito, △ P ima malo utjecaja na statičku čvrstoću rotora, pogotovo kada postoji rupa u govoru rotora, △ P se može zanemariti.
4.Gyroskopski moment nastao tijekom manevriranja leta
Za diskove ventilatora velikog promjera s ventilacijskim noževima treba uzeti u obzir učinak žiroskopskih trenutaka na napon savijanja i deformaciju diska.
5.Dinamična opterećenja generirana vibracijama oštrice i diska
Stres vibracije nastao na disku kada lopatice i diskovi vibriraju trebaju biti naneseni statičkim naponom. Generalna dinamička opterećenja su:
Periodična nejednaka plinska sila na lopatice. Zbog prisutnosti nosača i odvojene komore za izgaranje u kanalu protoka, protok zraka je neujednačen duž opsega, što proizvodi periodičnu neuravnoteženu uzbudljivu silu na noževima. Učestalost ove uzbudljive sile je: hf=ωm. Među njima je ω brzina rotora motora, a M je broj nosača ili komora za izgaranje.
Periodični ne-uniformni tlak plina na površini diska.
Uzbudljiva sila koja se prenosi na disk kroz spojenu osovinu, priključni prsten ili druge dijelove. To je zbog neravnoteže sustava osovine, što uzrokuje vibraciju cijelog stroja ili sustava rotora, čime se povezuje povezani disk da vibrira zajedno.
Postoje složene sile smetnji između lopatica multi-rotorne turbine, što će utjecati na vibraciju sustava diska i ploče.
Vibracija spajanja diska. Vibracija spajanja ruba diska povezana je s svojstvenim vibracijskim karakteristikama diskovnog sustava. Kad je uzbudljiva sila na diskovni sustav blizu određenog redoslijeda dinamičke frekvencije sustava, sustav će odjeknuti i generirati vibracijski stres.
6.Snažni stres prilikom povezivanja između diska i osovine
Smetnja koja se uklapa između diska i osovine stvorit će napon za montažu na disku. Jačina napona sklopa ovisi o smetnji, veličini i materijalu diska i osovine, a povezana je s drugim opterećenjima na disku. Na primjer, postojanje centrifugalnog opterećenja i temperaturnog naprezanja povećat će središnju rupu diska, smanjiti smetnje i na taj način smanjiti napon montaže.
Među gore navedenim opterećenjima, masovne centrifugalne sile i toplinsko opterećenje su glavne komponente. Pri izračunavanju čvrstoće treba uzeti u obzir sljedeće kombinacije brzine rotacije i temperature:
Brzina svake točke izračuna čvrstoće navedena u omotnici za let i temperaturnog polja na odgovarajućoj točki;
Polje temperature u ustaljenom stanju pri maksimalnoj točki toplinskog opterećenja ili maksimalnoj temperaturnoj razlici u letu i maksimalno dopušteno radnoj brzini stabilnog stanja, ili odgovarajućem polje temperature u stabilnom stanju kada se u letu postiže maksimalna dopuštena radna brzina u stanju.
Za većinu motora, polijetanje je često najgore stanje stresa, pa je kombinacija polja prolazne temperature tijekom polijetanja (kada je postignuta maksimalna temperaturna razlika) i treba uzeti u obzir maksimalnu radnu brzinu tijekom polijetanja.
