Усилия, действующие на элементы двигателя
Усилия, действующие на элементы конструкции газотурбинного двигателя. Общие понятия
Общие понятия
Знание усилий, действующих на двигатель и его элементы, силовых связей между узлами и деталями, а также взаимодействия двигателя с летательным аппаратом и атмосферой совершенно необходимо для того, чтобы при создании и отработке конструкции обеспечить работоспособность всех её элементов, правильно и полно использовать все технические возможности машины, а также грамотно и всесторонне проводить инженерный анализ возможных неисправностей.
Нагрузки, воспринимаемые деталями и узлами двигателя, весьма значительны по величине, разнообразны по характеру воздействия и имеют разную природу.
Все нагрузки принято делить по природе их возникновения на три группы: поверхностные, массовые и температурные.
К поверхностным нагрузкам относятся все силы и моменты, которые по отношению к деталям двигателя можно считать внешними воздействиями. По своей природе это силы, действующие со стороны газового потока или атмосферы.
К массовым силам и моментам следует отнести силы веса, силы инерции и моменты, возникающие от вращения ротора или эволюций летательного аппарата.
К температурным нагрузкам относятся усилия, возникающие от неравномерного нагрева или стеснения температурным деформациям элементов конструкции.
В процессе полёта режим работы двигателя, характеризующийся частотой вращения ротора, расходом газа и температурой газового потока, постоянно меняется. Меняются также и внешние условия эксплуатации: высота, скорость, перегрузки, климатические факторы. Изменение режима работы двигателя и условий полёта приводит к существенным изменениям нагрузок, действующих на элементы конструкции. Так, например, изменение частоты вращения ротора приводит к изменению центробежных сил в его элементах. Одновременно изменяются расход и давление воздуха, а, следовательно, и газодинамические нагрузки. Аэродинамические силы меняются с изменением скорости и высоты полёта. Переход с одного режима работы на другой может происходить с забросом изменения параметров, определяющих характер действия нагрузок. В некоторых случаях двигатель и его элементы могут испытывать воздействие ударных нагрузок (при грубой посадке или попадании на вход посторонних предметов).
|
|
|
Все это приводит к необходимости учитывать как цикличность изменения нагрузок по времени, как и их нестационарный характер при изменении режимов полёта. Но и на фиксированном режиме работы двигателя из-за неосесимметричности газового потока, создаваемой лопатками направляющих и сопловых аппаратов, и неполной сбалансированности ротора, возникают периодически изменяющиеся нагрузки с частотой, которая может быть близка к частоте собственных колебаний конструкции, что создаёт опасность резонансных режимов и усталостного разрушения деталей.
|
|
|
По характеру действия перечисленных нагрузок их условно делят на статические и динамические.
К статическим нагрузкам относят такие, время изменения которых существенно больше периода собственных колебаний подверженных их воздействию элементов конструкции. При расчёте на прочность статические нагрузки принято считать неизменными во времени.
Динамическими называются нагрузки, время изменения которых соизмеримо с периодом собственных колебаний конструкции. Наличие этих нагрузок вызывает необходимость проведения динамических расчётов.
В зависимости от направления действия нагрузки могут быть разделены на осевые, действующие вдоль оси двигателя, радиальные или окружные. Все нагрузки воспринимаются силовыми элементами ротора или корпуса двигателя, частично замыкаются и уравновешиваются в пределах двигателя, а частично передаются на узлы крепления двигателя к летательному аппарату.
|
|
|
Усилия, действующие на элементы двигателя со стороны газового потока
Исходными данными для определения усилий, действующих на элементы двигателя со стороны газового потока, являются результаты теплового и газодинамического расчётов, при которых выявляются величины скоростей и давлений в характерных сечениях двигателя.
Вычисление газодинамических сил может быть выполнено с помощью уравнения количества движения
,
где 
суммарная сила, действующая в заданном направлении,
масса движущегося газа,
скорость движения газа в направлении действия силы.
Условимся, что осевые силы, приложенные к конструкции, считать положительными, если они направлены по полёту. Тогда, рассматривая установившееся движение и относя рассуждения к газу, заполняющему участок проточного тракта двигателя, ограниченный сечениями 0 и 1 (рис.1.1), должны для получения осевой силы проинтегрировать уравнение количества движения.
. 
Рис.1.1. К определению осевых сил
В общем случае переменности полей скоростей и давлений по радиусу проточного тракта осевая составляющая равнодействующей всех сил равна
.
Здесь 
и 
массовые плотности газа в сечениях 0 и 1,
|
|
|
и 
осевые составляющие абсолютной скорости газа в сечениях 0 и 1,
и 
давления в сечениях 0 и 1.
В предположении равномерности поля скоростей, давлений и плотностей по радиусу
,
где 
и 
площади нормальных к оси двигателя сечений 0 и 1.
По этой формуле могут быть подсчитаны осевые усилия, передающиеся со стороны газового потока на каждый из отсеков двигателя, входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло.
Сумма этих сил с учётом осевой составляющей атмосферного давления на внешнюю поверхность двигателя равна тяге.
В ряде случаев, особенно при проектировании двигателя, расчёт осевых усилий, действующих на отсек в целом , оказывается недостаточным. Необходимо, кроме суммарной силы, знать её составляющие, приложенные к деталям отсека.
Для решения такой задачи нужно знать величины нормального давления и сил трения в каждой точке поверхности, взаимодействующей с потоком газов. В практических расчётах бывают известны лишь значения давления в некоторых сечениях, а силы трения даже приближённо определить очень трудно. Поэтому можно только ориентировочно распределить найденную осевую силу воздействия потока на отсек между его элементами.
Рассмотрим примеры расчёта осевых усилий, действующих на основные элементы двигателя.
Входное устройство.
Осевая сила, действующая на входное устройство двигателя с осевым компрессором (рис.1.2), рассчитывается по формуле
,
где 
и 
значения статического давления в потоке воздуха перед входным устройством и за ним,
статическое давление в полости за задним торцом обтекателя,
секундный массовый расход воздуха,
и 
осевые составляющие скоростей потока на входе и выходе входного устройства,
осевое усилие от давления воздуха на внешнюю поверхность обтекателя.
Рис.1.2.К расчёту осевой силы на Рис.1.3.К расчёту осевой силы
входном устройстве компрессора на лопатке компрессора
Рабочее колесо ротора осевого компрессора.
Осевая сила, действующая на лопатки рабочего колеса компрессора с номером 
(рис.1.3), определяется по формуле:
.
Здесь 
средние значения статического давления перед лопаткой, за ней и на скошенном верхнем торце.
Осевая сила, действующая на ступень компрессора, состоит из осевой силы, действующей на лопатки, и осевой силы, действующей на диск, которая определяется перепадом давления на диске:
.
Осевая сила, действующая на компрессор, суммируется из осевых сил ступеней:
.
Осевое усилие на лопатках направляющего аппарата подсчитывается по той же формуле, что и на рабочих лопатках, но с подстановкой геометрических размеров и параметров потока воздуха на средних радиусах входа и выхода лопаток статора.
Аналогично рассчитывается и осевая сила на лопатках газовой турбины.
Камера сгорания
Осевое усилие, действующее на камеру сгорания (рис.1.4) определяется по выражению:
. 
Эта сила передаётся с камеры сгорания на силовой корпус двигателя и узлы крепления к самолёту.
Рис. 1.4.К определению осевой силы, действующей на камеру сгорания
Реактивное сопло
Рис.1.5. К определению осевой силы на реактивное сопло
Осевое усилие со стороны газового потока на реактивное сопло (рис.1.5) равно
,
где 
наружное давление.
На рис. 1.6 показана схема соотношения осевых сил, действующих на основные узлы одного из газотурбинных двигателей при условии его работы на месте на номинальном режиме.
Рис.1.6. Схема соотношения осевых сил
За 100% принята тяга двигателя. Следует отметить, что осевая сила, действующая на ротор компрессора, в три с лишним раза превышает тягу двигателя, усилие на диске турбины в полтора раза больше тяги.
Крутящие моменты
На те элементы двигателя, которые вызывают изменение величины окружной скорости газового потока, действуют крутящие моменты. Такими элементами являются роторы и статоры турбины и компрессора.
Крутящий момент каждого из них можно определить, воспользовавшись уравнением моментов количества движения.
Производная по времени от момента количества движения массы относительно некоторого полюса равна сумме моментов внешних сил, действующих на эту массу, относительно того же полюса.
,
где масса элемента газа,
скорость элемента газового потока,
расстояние от полюса до элемента газа,
сумма моментов внешних сил.
Исходя из этого, крутящие моменты лопаточных аппаратов могут быть в предположении о неизменности скорости м плотности потока вдоль радиуса перед лопаточным аппаратом и за ним вычислены по формуле:
.
Здесь 
и 
окружные скорости потока на средних радиусах 
и 
входа и выхода из лопаточного аппарата.
Знак минус перед правой частью выражения записан в предположении, что окружные скорости потока направлены по вращению ротора. Если одна из скоростей (что характерно для турбины) направлена против вращения ротора, то знак в формуле перед этой скоростью следует изменить на обратный.
Массовые нагрузки
Для установившегося режима полёта или при работе двигателя на земле на месте массовые нагрузки проявляются в виде центробежных сил ротора. Эти силы, пропорциональные квадрату частоты вращения ротора, достигают очень больших величин и являются, по существу, определяющими при оценке прочности лопаток турбины и компрессора. Центробежные силы ротора представляют собой в основном уравновешенную систему. Однако выполнить на практике идеально уравновешенный ротор невозможно. Поэтому остаточный дисбаланс вызывает неуравновешенность центробежных сил ротора, которые могут привести к опасным вибрациям двигателя и , как это будет показано в последующем, к потере устойчивости ротора.
При выполнении в полёте самолётом эволюций, а также при взлёте и посадке двигатель испытывает ускорения, в связи с чем возникают действующие на его элементы силы инерции. Для сравнительной оценки этих сил принято использовать понятие коэффициента эксплуатационной перегрузки 
, показывающего во сколько раз действующее ускорение больше ускорения земного притяжения.
Вращающийся ротор двигателя в криволинейном полёте создаёт гироскопический момент, величина которого может быть определена по приближённму выражению:
,
где 
- массовый полярный момент инерции ротора относительно оси его вращения;
частота (угловая скорость) вращения ротора;
угловая скорость эволюции самолёта;
угол между векторами угловых скоростей.
Наиболее опасным, а следовательно расчётным является случай 
.
Методические рекомендации
1.При чтении этой лекции в виду сложности рисунков целесообразно использовать видеопроекционную технику, предварительно выдавая студентам ксерокопии рисунков для облегчения конспектирования материала.
2.Рассказ о гироскопических моментах имеет смысл проиллюстрировать приведенной ниже схемой.
Дата добавления: 2023-02-21; просмотров: 75; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!