Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей под ред. Хронина Д. В. (1014169), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Диски турбин нз-за высоких рабочих температур н неравномерности нагрева по условиям прочности имеют более толстые стенки н массивные ступицы. Изготавливаются диски нз высококачественных жаропрочных сплавов. 6.1.!. Требования к конструкции дисков Важнейшими требованиями к конструкции дисков являются минимальная масса н высокая нх прочностная надежность. Первое требование связано с тем, что в общей массе двигателя масса всех дисков составляет 15 ... 220 %.
Поэтому уменьшение массы каждого диска позволяет существенно уменьшить массу всего двигателя, т. е. улучшить основной показатель качества его конструкции. Второе требование связано с безопасностью полетов, так как разрушение дисков в большинстве случаев приводят к самым тяжелым последствиям. Уменьшение массы дисков достигается путем совершенствования нх конструктивной формы, применения новых более легких н прочных материалов, использования более совершенной н точной технологии изготовления дисков. Применяя самые совершенные методы оценки прочности н работоспособности дисков, исследуя с помощью ЭВМ надежность дисков в самых различных, в том числе экстремальных условиях работы, контролируя надежность н запасы прочности с помощью 281 натурных экспериментов, можно достичь высокой надежнос дисков, а вместе о тем и двигателей при минимальной н ' массе. 6.1.2.
Условия работы дисков ГТД Условия работы дисков сложные и весьма тяжелые. Диски находятся под воздействием огромных радиальных инерционных сил, возникающих при вращении от лопаток и собственной массцр дисков. Достаточно сказать, что каждая лопатка, закрепленная' на диске, при окружной скорости на среднем радиусе лопаточной части в 300 ... 400 м/с создает растягивающую диск силу, в (20 ... ЗО) 10' раз превышающую ее собственную массу. Например, лопатка, обладающая массой в 0,5 кг, создает радиальную силу. в 100 ...
150 кН или 10 ... 15 т. На диске обычно размещается не-. сколько десятков лопаток, таким образом, общая радиальная нагрузка на диски достигает нескольких сотен тонн. Другим видом нагрузки, действующей на диски, являются газодинамические и газостатические осевые силы. Осевые газо- динамические силы возникают на лопатках, а газостатические— вследствие разности статических давлений на переднюю и заднюю стороны диска.
Вследствие большой поверхности, ометаемой' лопатками, и собственной поверхности диска осевая сила также может достигать больших значений, исчисляясь сотнями килоньютонов (десятками тонн), Эти осевые силы создают изгиб дисков. Возникающие при этом напряжения изгиба зависят от способа соединения дисков между собой и с валом, от распределения давлений вдоль радиуса диска, от мест расположения воздушных уплотнений и других конструктивных особенностей. Напряжения изгиба могут достигать больших значений, особенно в дисках компрессоров и вентиляторов, имеющих тонкие стенки и лопатки больших размеров. Изгиб дисков происходит также от действия поперечных инерционных сил, которые возникают при эволюциях летательного аппарата и при изгибе ротора на резонансных частотах вращения. Инерционные силы могут достигать больших значений и представлять опасность при больших размерах лопаток и тонких дисках на ступенях компрессоров и вентиляторов. Огромные напряжения возникают в дисках турбин вследствие неравномерности их нагрева на рабочих режимах.
Температура диска на внешнем контуре может достигать 800 ... 900 'С, в то время как в центральной части, вследствие интенсивного отвода тепла, температура, как правило, не превышает 300 ... 350 'С. Это приводит к тому, что на внешнем контуре возникают большие термические напряжения сжатия, а в центральной части — напряжения растяжения.
Это существенно снижает запасы прочности дисков вследствие сложения термических напряжений с напряжениями от инерционных сил и вследствие резкого уменьшения прочностных свойств материалов при высоких температурах. 282 Особые условия работы дисков возникают вследствие вибраций.
Вибрации вызываются двумя причинами: неоднородностью и пульсациями воздушного и газового потоков, действующих иа лопатки и диск, и механическими воздействиями со стороны смежных валов и корпусов, передающимися иа диски через опоры. Вибрации становятся особенно опасными, если при определенных частотах вращения роторов возникают резонансные явления. Тогда в дисках появляются большие дополнительные динамические напряжения, которые с течением времени могут привести к появлению трещин и других дефектов на дисках, а в отдельных случаях — к немедленному разрушению дисков. 6.1.3. Разновидности конструкций дисков Основными составными частями дисков любой разновидности (рис, 6,1) являются: обод, ступица, полотно и устройства для соединения диска с валом и между собой.
Обод служит для размещения устройств для закрепления на диске рабочих лопаток. Конфигурация обода зависит от конструкций этих устройств крепления и конфигурации проточной части компрессора или турбины. Обод диска создает дополнительные нагрузки на полотно диска, поэтому его размеры необходимо проектировать возможно меньшими.
Во многих случаях диски выполняются с центральным отверстием. Необходимость отверстия и его размеры определяются общей компоновкой компрессора или турбины и всего двигателя в целом. Наличие отверстия нежелательно. Оно снижает несущую способность диска, в зоне отверстия возникает концентрация напряжения. Для устранения отрицательного воздействия отверстия его контур усиливается— делается утолщение, или развивается ступица, с плавным переходом от полотна диска к краям г I ступицы.
В дисках турбин, осо- 5 бенно при больших размерах отверстия, ступица становится весьма массивной, увеличивая массу диска. Основной частью диска является полотно. Оио соединяет обод и ступицу. Геометрическая форма полотна определяет рас- 5 пределеиие напряжений вдоль радиуса диска. 5 рнс. 6.1. Конструкции дисков ГТд: а — диск турбины; б — диск компрессора; т— эамковая часть; т — обод, д — полотно диска С вЂ” осиовиме элементы крепления диена; б— ступица а 5 283 Ьа Ряс. 6.2.
Геометрические формы полотна диска: и — каиическая; б — гиперболическая (ле = !Н а — раиаого сопротиилекик (Ь Э.б 1О-е; Ь (Ь = 4; т = ас еи) Полотно диска может быть постоянной толщины или иметь профилированную в меридиональном сечении форму. Диски постоянной толщины, как правило, в конструкциях ГТД не применяются, так как оказываются более тяжелыми. Диски профилированной конфигурации могут быть конические, гиперболические и равного сопротивления. Диски конического профиля Геометрия диска конического профиля (рис.
6.2, а) определяется формулой Ь=В,(1 — — '1, (6.1) (6.3) Ь = а/г"и 284 где В„Д вЂ” основание и высота треугольника, определяющего форму диска; Ь вЂ” толщина диска на радиусе г. Относительная толщина диска Ьк на внешнем контуре равна Ь„!В, = 1 — г„!Д. (6.2) Это отношение обычно лежит в пределах 0,3 — 0,5, Оно подбирается в процессе проектирования диска для получения требуемого, наиболее рационального распределения напряжений.
Диски конического профиля наиболее распространены в конструкциях роторов ГТД, так как просты в изготовлении механической обработкой и позволяют получить достаточно легкую конструкцию дисков. Диски гиперболического профиля Геометрия диска гиперболического профиля (рис. 6.2, б) определяется формулой где а и т — параметры, определяющие толщину и степень ее изменения вдоль радиуса диска. Отношение толщин диска Ьо7Ь„=ч г„44гб (6,4) показывает, что с увеличением степени т толщина диска Ь, на начальном радиусе существенно возрастает по сравнению с толщиной на внешнем контуре. Практически показатель и выбирается не более 1,5.
Если принять и = О, то получим Ь, = Ьк, т. е. гиперболический диск обрашается в диск постоянной толшины. Таким образом, последний является частным случаем гиперболического диска. Коэффициент а, как правило, определяется по задаваемой толщине диска на внешнем контуре, которая является минимальной: а = Ькгк. (6.5) Подбирая параметры а и т, можно добиться наиболее рационального для данной формы диска распределения напряжений. Гиперболический профиль позволяет получить минимальную массу конструкции дисков, Однако необходимость выдерживать точную геометрическую зависимость при изготовлении дисков создает трудности в технологии. Поэтому часто гиперболическую ф у заменяют более простой, составленной из прямых и дуг форму з м окружности, ж ости, приближающейся к идеальной гиперболической. Г е болическая форма применяется для дисков с центральипер Ь возным отверстием, так как при уменьшении г, толщина Ь, резко растает.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
