Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей под ред. Хронина Д. В. (1014169), страница 9
Текст из файла (страница 9)
В зависимости от направления действия нагрузки могут быть Разделены иа осевые, поперечные, действующие в вертикальной и горизонтальной пласкостях. Аналогично моменты различнаго 39 ага с~а 2.6.1. Определение осевых газовых сил происхождения могут действовать вокруг всех трех осей — продольной, вертикальной, горизонтальной. Перечисленные нагрузки воспринимаются силовыми элементами корпуса и ротора, частично замыкаются и уравновешиваются в пределах двигателя, а частично передаются на узлы крепления двигателя к самолету. Осевое усилие, возникающее на элементах конструкций двигателей, определяется как сумма статических давлений воздуха или газа на поверхности проточной части элементов и газодинамической силы, вызванной изменением количества движения воздуха нли газа при прохождении его через рассматриваемый элемент конструкции.
Рассмотрим определение осевых сил на примерах отдельных частей двигателя. За положительное направление сил принимается направление движения воздуха в проточной части двигателя, т. е. от входа в сторону реактивного сопла. Входное устройство двигателя. Осевая сила, действующая на входное устройство двигателя с осевым компрессором (рис. 2.5), согласно общему определению, рассчитывается по формуле Ра вх = Р(Р1 РОРО РОРО () (бва С)а) + ) а внеси (2 () где Р„Р, — статические давления в потоке перед и за входным УстРойством; Рв — статическое давление в полости за задним тоР- цом внутреннего обтекателя; может отличаться от Р,. Граница, разделяющая зоны давлений Р, и Р„проходит по окружности расположения лабнринтного уплотнения; с„„с„— осевые скорости потока на входе и выходе входного устроиства; 6 — масса воздуха, проходящего через входное устройство, кг/с; Р, = = Пг(( Р2 = 21 (зз2 гтвт)г РЗ = Пгтвт Раннем — ОСЕВОЕ УСИ- лие от давления воздуха на внешнюю поверхность входного устройства; определяется продувкой.
Первые три члена, входящие в формулу (2.1), представляют собой равнодействующие статических давлений, четвертый — динамическое усилие, связанное с изменением осевой скорости воздуха во входном устройстве. Величины давления Р, и осевой скорости с„ по сравнению с Р, и с„, зависят от соотношения величин площадей Рт и Р„ а также наличия во входном устройстве входного направляющего аппарата компрессора. Осевой компрессор. Первоначально определяются осевые силы, действующие на каждое рабочее колесо ротора и направляющий аппарат статора. Осевая газодинамическая сила, возникающая на лопатках рабочего колеса, может быть подсчитана по формуле (2.2) 40 Рис. 2.6.
К расчету осевых сил вход- Рис. 2.6. К расчету осевой гааодинаного устройства мической силы лопаток компрессора н турбины где з — верхний индекс — номер ступени; ЄЄс„, с„— статические давления и осевые скорости яа среднем радиусе проточной части перед и за рабочим колесом (рис. 2.6): Р, = и ()ч(ы— зт1вн)г з 2 )т (з12н )22вн) Осевая газодинамическая сила, действующая на все рабочее колесо ступени, определяется как сумма равнодействующих статических давлений на боковые поверхности рабочего колеса и осевой силы лопаток (рис. 2.7): Ра ст = Ран + Р(О Р(н + Р)б Р( вн Р2О Р2н Ртб Р2внг (2 о) (з) (з) (з) (з) (з) (з) где р,, рвб — статические давления, действующие на боковые поверхности колеса, равные соответствующим давлениям в корневом сечении лопаток; Р,б, р,б — статические давления внутри барабана, справа и слева от колеса. Полости обычно сообщаются, поэтому указанные давления одинаковы, тем не менее разность сил все равно имеет место из-за различия величин площадей, на которые действуют давления; Р„„Р„н, Р„„Р„н — площади открытых боковых поверхностей диска, определяемые расположением уплотнений и размерами барабана.
Эти площади легко подсчитываются по ограничивающим их окружностям: Р1н =" П ()1!вн зт1у) з 1вн — П (т(1б зтО)1 г'Он = 2( (222 вн г(2у)) г'2вн = 2( (Й2б з(О) Осевое усилие, действующее на лопатки направляющего аппарата ступени, подсчитывается также по формуле (2.2), по параметрам воздуха на среднем радиусе входа и выхода лопаток. ,г ес (2.5) (2.6) .1,сз] Рис.
2.7. К расчету осевой силы ра- Рис. 2.8. К расчету осевой силы найочего колеса компрессора правляющего аппарата компрессора Полное осевое усилие, действующее на направляющий аппа- рат ступени, складывается из суммы (рис. 2.8) Р и = Р„+ рю Рх — Рк) Р'а~ (з) (з] (з] (з) где второе и третье слагаемые представляют собой силы статических давлений на боковые поверхности нелопаточной части направляющего аппарата. Осевые силы на рабочем колесе и направляющем аппарате компрессора действуют в сторону входа. При расчете по приведенным формулам они имеют отрицательный знак и достигают сотен килоньютонов.
Их определение необходимо для расчета на прочность и деформацию элементов конструкций ротора и корпуса осевого компрессора. Осевые силы создают растяжение барабана ротора и оболочки корпуса. Усилие растяжения возрастает от первой ступени к последней, так как происходит сложение осевых сил ступеней. Наибольшее усилие растяжения создается за последней ступенью компрессора. Такое распределение сил необходимо учитывать при расчете соединений частей ротора и корпуса. Общее осевое усилие, возникающее на роторе компрессора, равно сумме осевых сил от всех ступеней. Для уменьшения этой осевой силы за задней торцовой поверхностью ротора создается ДУмиснаЯ полость 3 с низким, почти атмосфеРным, давлением Рм а перед передней торцовой поверхностью ротора — думисная полость П, в которую подается воздух повышенного давления рп 42 Рис.
2хп Схема действия осевых сил на торцевые поверхности ротора компрес- сора от промежуточных ступеней (рис. 2.9). В результате возникает разгружающая положительная сила как разность осевых сил, действующих на торцы ротора. Расчет этой силы производится по заданным величинам давлений и размерам площадей: Рп = 0,25п (Руп — ((уп); Рз = 0,25п (Руз — ((уз).
Моменты кручения от газовых сил, возникающие на лопатках рабочих колес и направляющих аппаратов, вычисляются на основе треугольников скоростей на среднем радиусе ступени перед и за соответствующими элементами (рис. 2.10). Для рабочих колес и направляющих аппаратов расчетные формулы можно записать в виде (з), г (з) (з) (з) (з)].
Мир, р, и = 'з (Йу ерохи — Й! срп(и )а Мир. н. а = — 6 (Йэ срс(иа Йх срсО Рис, 2.!О. Треугольники скоростей к расчету крутящего момента ступени компрессора 43 (2.8) (2.10) Р, =Рек — Р„Р, Р, (2.7) Р=Ра(д ) Как показывают формулы, крутящие моменты равны разности моментов количеств движения воздуха относительно оси вращения ротора. Для рабочего колеса момент имеет положительный знак, что означает подвод энергии к воздушному потоку и увеличение кинетической энергии вращательного движения воздуха. Окружное усилие и момент на рабочем колесе от воздействия воздуха направлены против направления вращения.
Для направляющего аппарата момент получится с отрицательным знаком, что означает уменьшение кинетической энергии вращательного движения воздуха и переход ее в давление. Окружное усилие и момент, действующие на направляющий аппарат, направлены в сторону вращения рабочего колеса. Крутящие моменты, действующие па ротор и корпус компрессора, суммируются начиная с первой ступени. Наибольшие крутящие моменты действуют за последней ступенью компрессора. Вычисление крутящих моментов для любого промежуточного сечения ротора или корпуса производится, как суммы моментов всех предыдущих ступеней. Расчет этих моментов необходим для оценки прочности элементов конструкций ротора и корпуса.
Центробежное колесо. В ряде конструкций ГТД находит применение центробежный компрессор; целесообразно применение его в качестве последней ступени компрессора газогенератора ТРДД с высокими значениями двухконтурности и степени повышения давления. В связи с этим рассмотрим методику определения осевой силы, действующей на рабочее колесо такой ступени.
В качестве примера рассмотрим конструкцию с полуоткрытым рабочим колесом, с лабиринтным уплотнением на задней стороне диска (рис. 2.11). Осевое усилие, действующее на рабочее колесо ступени, определяется из формулы где Є— осевое усилие, действующее на передний торец рабочего колеса; Р, — осевое усилие, действующее на внешнем участке заднего торца и равное 0,25ра(0т — бт) и; Р— осевое усилие, действующее на участке уплотнения с(а — '4; Р, — осевое усилие, действующее на внутреннем участке 1)т — с( и равное 0,25р; (с(1, — (1,) и. Усилие Р;„возникающее от статического давления потока слева, на участке Р, — От определяется исходя из приближенной квадратичной оценки изменения давления по радиусу: Усилие, соответствующее этому распределению давления, можно определить по формуле Общее усилие на передний торец рабочего колеса равно Р = Р,„+ 0,25прт (171 — г(о) + Сст,.
(2.9) Величина усилия в уплотнении Р, определяется из условия изменениЯ ДавлениЯ на Участке 11х — т(а по линейномУ законУ от ра до р;. Взяв среднее значение, величину силы можно подсчитать по формуле т 2 (Ра + Р1) 4 Общее осевое усилие центробежного колеса можно предопределять при проектировании, выбирая необходимое расположение лабиринтного уплотнения, т. е. размеры с(1 и с(т и давление р1. Газовая турбина.
Осевое усилие, действующее на рабочее колесо турбины и сопловой аппарат, определяется так же, как и для компрессора. Для определения осевого усилия на лопатках может быть использована формула (2.2), з которую подставляются параметры газа и размеры, присущие турбине. Полное осевое усилие на рабочем колесе зависит от расположе- 5 ния на его боковых поверхностях уплотнений и статических давлений на образованных ими кольцевых площадях. Например, для рабочего колеса, изображенного на Рис. 2.11. К расчету осевых сил ко- Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
