Característiques de càrrega i estat de càlcul dels discos de compressor i turbina dels motors d’avió
Tot i que hi ha diferències en les funcions i estructures dels rotors de compressor i turbina, en termes de força, les condicions laborals de les rodes de les dues són aproximadament les mateixes. Tanmateix, el disc de la turbina es troba a una temperatura més alta, cosa que significa que l’entorn de treball del disc de la turbina és més dur.
Les càrregues a càrrec del disc del compressor o del disc de la turbina d’un motor d’avió són les següents:
Força centrífuga massiva
L’impulsor ha de suportar la força centrífuga de les fulles i el propi impulsor causat per la rotació del rotor. Les següents condicions de velocitat s’han de tenir en compte en el càlcul de la força:
Velocitat de funcionament en estat estacionari al punt de càlcul de força especificat dins del sobre de vol;
Velocitat de funcionament en estat estacionari màxima especificada en l'especificació del model;
El 115% i el 122% de la velocitat de funcionament màxima permanible.
Les fulles, els panys, els deflectors, els cargols, les femelles i els cargols instal·lats al disc es troben a la vora del disc de la roda. Normalment, la vora exterior del disc de la roda es troba a la part inferior de la ranura. Si suposem que aquestes càrregues es distribueixen uniformement a la superfície de la vora exterior del disc de la roda, la càrrega uniforme és:
Quan F és la suma de totes les càrregues externes, R és el radi del cercle exterior de la roda, i H és l'amplada axial de la vora exterior de la roda.
Quan la part inferior de la mort i la ranura de Tenon és paral·lela a l’eix de rotació del disc de la roda, el radi de la vora exterior es pren com a radi de la posició on es troba la part inferior de la ranura; Quan la part inferior de la montise i la ranura de Tenon té un angle d’inclinació en la direcció radial amb l’eix de rotació del disc de la roda, el radi de la vora exterior es pren aproximadament com el valor mitjà dels radis inferiors de la ranura frontal i posterior.
Càrrega tèrmica
El disc de la roda ha de suportar la càrrega tèrmica causada per una calefacció desigual. Per al disc del compressor, generalment es pot ignorar la càrrega tèrmica. No obstant això, amb l’augment de la relació de pressió total del motor i la velocitat de vol, el flux d’aire de sortida del compressor ha assolit una temperatura molt alta. Per tant, la càrrega tèrmica dels discos abans i després del compressor de vegades no és insignificant. Per al disc de la turbina, l’estrès tèrmic és el factor influent més important després de la força centrífuga. S'han de tenir en compte els següents tipus de camps de temperatura durant el càlcul:
Camp de temperatura en estat estacionari per a cada càlcul de força especificat al sobre de vol;
Camp de temperatura en estat estacionari en un cicle típic de vol;
Camp de temperatura de transició en un cicle típic de vol.
Quan s’estimen, si les dades originals no es poden proporcionar completament i no hi ha cap temperatura mesurada per a la referència, es poden utilitzar els paràmetres de flux d’aire sota l’estat de disseny i l’estat de càrrega de calor més alt per a l’estimació. La fórmula empírica per estimar el camp de temperatura del disc és:
En la fórmula, T és la temperatura al radi requerit, t {{0}} és la temperatura al forat central del disc, la TB és la temperatura a la vora del disc, R és un radi arbitrari del disc i els subscripts 0 i b corresponen al forat central i a la vora, respectivament.
M =2 correspon a l'aliatge de titani i l'acer ferrític sense refrigeració forçada;
M =4 correspon a l'aliatge basat en níquel amb refrigeració forçada.
Per al disc de compressor d’alta pressió
Camp de temperatura en estat constant:
Quan no hi ha un flux d’aire de refrigeració, es pot considerar que no hi ha diferència de temperatura;
Quan hi ha un flux d’aire de refrigeració, la TB es pot prendre aproximadament a mesura que la temperatura de sortida del flux d’aire a cada nivell del canal {{{0}} i T0 es pot prendre aproximadament a mesura que la temperatura de sortida del flux d’aire a nivell de flux d’aire refrigerant d’extracció + 15 grau.
Camp de temperatura transitori:
La TB es pot prendre aproximadament com a temperatura de sortida de cada nivell de flux d'aire del canal;
T 0 es pot prendre aproximadament com a 50% de la temperatura de la roda de la roda quan no hi ha un flux d'aire de refrigeració; Quan hi ha un flux d’aire de refrigeració, es pot prendre aproximadament a mesura que la temperatura de la sortida de l’etapa d’extracció del flux d’aire de refrigeració.
Per al disc de la turbina
Camp de temperatura en estat constant:
Tb 0 és la temperatura de secció de l'arrel de la fulla; △ T és la caiguda de temperatura del tenó, que es pot prendre aproximadament de la següent manera: △ T =50-100 grau quan el tenon no es refreda; △ T =250-300 grau quan el tenon es refreda.
Camp de temperatura transitori:
El disc amb fulles de refrigeració es pot aproximar de la manera següent: gradient de temperatura transitori=1. 75 × gradient de temperatura en estat estacionari;
El disc sense refrigeració es pot aproximar de la manera següent: gradient de temperatura transitòria=1. 3 × gradient de temperatura en estat estacionari.
Força de gas (força axial i circumferencial) transmesa per les fulles i la pressió del gas a la part davantera i posterior del rotor
Força de gas transmesa des de les fulles
Per a les fulles del compressor, el component de la força de gas que actua sobre l'alçada de la fulla de la unitat és:
Axial:
On Zm i Q són el radi mitjà i el nombre de fulles; ρ1m i ρ2m són la densitat del flux d’aire a les seccions d’entrada i sortida; C1AM i C2AM són la velocitat axial del flux d’aire al radi mitjà de les seccions d’entrada i sortida; P1M i P2M són la pressió estàtica del flux d’aire al radi mitjà de les seccions d’entrada i sortida.
Direcció circumferencial:
Per a fulles de turbina
La direcció de la força de gas sobre el gas és diferent de les dues fórmules anteriors per un signe negatiu. Generalment hi ha una certa pressió a la cavitat entre el rotor de dues etapes (especialment el impulsor del compressor). Si la pressió als espais adjacents és diferent, es produirà una diferència de pressió a l’impulsor entre les dues cavitats, △ P=p 1- p2. Generalment, △ P té poc efecte sobre la força estàtica de l’impulsor, sobretot quan hi ha un forat a l’impulsor, es pot ignorar △ P.
4.El parell giroscòpic es va generar durant el vol de maniobra
Per als discos de ventiladors de gran diàmetre amb fulles de ventilador, s’ha de tenir en compte l’efecte dels moments giroscòpics sobre l’estrès de flexió i la deformació del disc.
5.Càrregues dinàmiques generades per la vibració de la fulla i el disc
L’estrès de vibració generat al disc quan les fulles i els discos vibren s’han de superposar amb l’estrès estàtic. Les càrregues generals dinàmiques són:
La força de gas no uniforme periòdica a les fulles. A causa de la presència del suport i de la cambra de combustió separada al canal de flux, el flux d'aire és desigual al llarg de la circumferència, que produeix una força emocionant de gas desequilibrada periòdica a les fulles. La freqüència d'aquesta emocionant força és: hf=ωm. Entre ells, ω és la velocitat del rotor del motor, i M és el nombre de claudàtors o cambres de combustió.
La pressió periòdica de gas no uniforme a la superfície del disc.
La força emocionant transmesa al disc a través de l’eix connectat, l’anell de connexió o altres parts. Això es deu al desequilibri del sistema de l’eix, cosa que provoca la vibració de tota la màquina o del sistema del rotor, conduint així el disc connectat per vibrar junts.
Hi ha forces d’interferència complexes entre les fulles de la turbina multi-rotor, que afectaran la vibració del sistema de disc i placa.
Vibració d'acoblament del disc. La vibració de l'acoblament de la vora del disc està relacionada amb les característiques de vibració inherents del sistema de disc. Quan la força emocionant del sistema de disc s’aproxima a un determinat ordre de freqüència dinàmica del sistema, el sistema ressonarà i generarà l’estrès de vibració.
6.Estrès de muntatge a la connexió entre el disc i l’eix
La interferència s’ajusta entre el disc i l’eix generarà estrès de muntatge al disc. La magnitud de la tensió del muntatge depèn de l’ajust d’interferència, de la mida i el material del disc i l’eix, i està relacionada amb altres càrregues del disc. Per exemple, l’existència de càrrega centrífuga i tensió de temperatura ampliarà el forat central del disc, reduirà la interferència i reduirà així l’estrès de muntatge.
Entre les càrregues esmentades anteriorment, la força centrífuga de massa i la càrrega tèrmica són els components principals. Quan es calcula la força, s’han de considerar les combinacions següents de velocitat i temperatura de rotació:
La velocitat de cada punt de càlcul de força especificat a l’embolcall de vol i al camp de temperatura al punt corresponent;
El camp de temperatura en estat estacionari al punt de càrrega màxima màxima o la diferència de temperatura màxima en el vol i la velocitat de funcionament màxim permesa en estat estacionari o el camp de temperatura en estat estacionari corresponent quan s’arriba a la velocitat de funcionament en estat estacionari màxima.
Per a la majoria dels motors, l’enlairament és sovint el pitjor estat d’estrès, de manera que s’ha de tenir en compte la combinació del camp de temperatura transitori durant l’enlairament (quan s’assoleix la diferència de temperatura màxima) i s’ha de tenir en compte la velocitat màxima de funcionament durant l’enlairament.
