Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г. (1014171), страница 59
Текст из файла (страница 59)
На неустановившнхся режимах — при раскрутке или останове ТНА— значения осевых сил и их равнодействующей могут значительно отличаться от расчетных, полученных для установившегося рабочего режима. Автоматические разгрузочные устройства. Для того чтобы осуществить компенсацию осевых сил на всех режимах работы ТНА, в его конструкции можно предусмотреть специальный элемент — автоматическое разгрузочное устройство, или автомат разгрузки. Схема ротора насоса с автоматом разгрузки приведена на рис. 11.5. 274 рве.
11.4. Распрелеленве осевых снл по валу ТНА: а — зпюра осевых свл прв консольной схеме ТНА; 6 — зпюра осевых снл прв симметричной схеме ТНА; Н, н Н, насосы; Т вЂ” турбнна рнс. 11.5. Схема центробежного насоса с автоматом разгрузюп 1 — центробежное колесо; 2 — автомат разгрузки Данное устройство представляет собой элемент, например, диск, жестко закрепленный иа валу или выполненный с иим как одно целое и имеющий осевой зазор йт с корпусом. Этот зазор разделяют полости, в первой из которых имеется высокое давление р „а во второй — постоянное пониженное давление рз.
Для того чтобы автомат разгрузки мог работать, оба шариковых подшипника устанавливаются в корпусе с осевыми зазорами, допуская таким образом осевое перемещение ротора. Если иа валу возникает осевая сила Я„иаправлеииая справа налево, то вал переместится под действием этой силы, и зазор Ь з уменьшится. При этом увеличится давление рз, так как возрастут потери при перетекаиии жидкости через зазор. Это, в свою очередь, увеличит осевую силу иа разгрузочном устройстве, направленную слева направо, которая уравновесит силу с', и ротор возвратится в исходное положеиие. Работа автомата разгрузки основана иа перетекаиии рабочей жидкости через осевой зазорна в полость низкого давления, что снижает КПД насоса.
Уменьшение утечек через зазор достигается использованием уравновешивающих устройств с повышенным гидравлическим сопротивлением в зазоре (рис. 11.6). Однако следует иметь в виду, что примеиеиие таких конструкций приводит к повышению механических потерь иа трение о жидкость. Простое уменьшение номинального значения зазора Ьз с целью снижения утечек ограничено, так как возникает опасность контакта торце- Рис. 11.6. Вариазпм проточной части автомата разгрузки А, Рис. 11.7. Автомат разгрузка со сферичес- Рис. 11.8. Характеристика автомата ртзг. кой рабочей воверхиоетью рузки вых поверхностей. Чтобы уменьшить опасность задиров, в ряде случаев оказывается целесообразным замена плоских торцевых поверхностей сферическими (рнс.
11.7) . При конструировании разгрузочного устройства стремятся, с одной стороны, свести к минимуму объемные потери, а с другой, — не допускать в процессе работы чрезмерного уменьшения зазора в торцевой щели, так как это может привести к задирам. Удовлетворить обоим требованиям можно лишь при наличии крутой характеристики Г = 7'(й з) (рис. 11.8), когда даже малые изменения зазо. ра йз вызывает большое изменение силы на разгрузочном устройстве.
Наклон характеристики определяется отношением перепадов давлений АР, 13 = — ~ЬР =Ре — Рз ' тзРз =Рг — Рз). Ьр Расчет автоматического разгрузочного устройства сводится к выбору таких его геометрических размеров, которые бы обеспечивали выполнение равенства Е = 71 (Я вЂ” осевая сила на роторе), при минимуме объемных потерь 1г и приемлемых зазорах из. 276 11.3. ПРОЧНОСТЬ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН НАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮВ1ИЕ В РАБОЧИХ ЛОПАТКАХ При работе ТНА в рабочих лопатках осевой газовой турбины возникают статические напряжения: растяжения от центробежных сил масс самой лопатки и бандажа; изгиба от воздействия на лопатку газовой силы, возникающей при движении газа по межлопаточным каналам; изгиба от центробежных снл масс лопатки и бандажа; кручения от центробежных масс лопатки; кручения от газовых сил, действующих на лопатку. Кроме этого, под действием вибраций в пере лопатки возникают динамические напряжения изгиба и кручения, а в связи с ее неравномерным нагревом по сечению — температурные напряжения.
Соотношение между значениями указанных напряжений зависит от режима работы ТНА. В момент запуска ТНА на лопатках турбины действует в основном газовая сила, которая в общем случае вызывает изгиб и кручение лопатки. Обычно при определении напряжений принято рассматривать лопатку как консольный стержень, жестко заделанный в диске. При этой газовая сила рассматривается как распределенная по длине стержня поперечная сила. Наличие такой силы приводит к изгибу лопатки. Кручение лопатки под действием газодинамических сил возникает в том случае, если с центром жесткости С не совпадает центр парусности Е— точка приложения равнодействующей газодинамических снл (рис.
11.9). В выполненных конструкциях напряжения изгиба от газовых сил в корневых сечениях лопаток ог = (2...6) ° 1О" Па. Напряжения кручения от газовых сил значительно меньше, и их обычно не учитывают при расчете лопатки. Температурное поле лопатки турбины меняется в процессе работы насосного агрегата: происходит прогрев лопатки, определяемый температурой, давлением и скоростью газа, омывающего лопатку, наличием охлаждения, материалом, конструкцией лопатки, степенью парцнальности турбины.
На рис. 11.10 приводится расчетное распределение температуры по толщине профиля лопатки, а на рис. 11.11 — по средней линии профиля лопатки в различные моменты времени. Температурный градиент по толщине лопатки не превышает 50 ...60'С, т.е. незначителен; в то же время по Рпс. 11зй Схема прпаожсппа крутааыго момапа от газовых спа к перу аопаткп Арпа 177 Рнс. 11.10. Распределенно темпера туры по толпные профнал ле латал 0 06 й6 с00 400 лЮ1;0 средней линии между кромками и центром лопатки он может достигать в процессе прогрена существенных значений (около 200...400 'С).
Как видно из графиков, прогрев лопаток после запуска ТНА происходит срав. нительно быстро — в течение 8...10 с, после чего температурный градиент стабилизируется и не превышает 50.ы50 'С по средней линии и 20...30 'С по толщине лопатки. Примерный характер изменения температурных напряжений по длине средней линии профиля лопатки показан на рис. 11.12. В связи с тем, что расширению более нагретой периферийной части препятствует менее нагретая средняя часть, в поперечном сечении лопатки имеет место самоуравновешенная эпюра напряжений, причем кромочные области лопатки имеют напряжения сжатия, а средняя часть — напряжения растяжения.
Максималь. нос значение температурных напряжений в лопатках соответствует режиму запуска и может достигать в конструкциях ТНА (10...15) 10" Па. Однако несмотря на большой уровень температурных напряжений, онн не опасны при ограниченном числе включений ТНА, если иметь в виду, что рабочие лопатки изготавливаются из конструкционных материалов, обладающих достаточной пластичностью.
С увеличением частоты вращения ТНА начинают возрастать напряжения Рнс. 11. ! 1. Распределеняе температуры по срмшей лнння профнлп лопатин Рпс. !1.12. Распределеппе температуры н тем. пературнмх непременна вдоль средней лнннн пройнаы лопатки 278 11ЛЗ. Изгиб лопатка Пентробеллыма сазана Я1(. яэг ~ ~~~ьгуг от центробежных сил — их наибольшие Г аю Фт значения соответствуют режиму максимальной частоты вращения. Напряженна растяжения от центробежных сил являются наиболее опасными, так как в сов. ременных ТНА достигают значения (15„.18) ° 1(1т Па; кроме того, столь высокие напряжения распределяются равяомерно по сечению в отличие, например, 0 х от напряжений изгиба.
Изгиб лопатки под действием центробежных сил возникает в том случае, когда центры масс отдельных сечений по ее длине не совпадают с осью Я, которая проходит через центр масс корневого сечения (рис. 11.13) . В этом случае при вращении турбины центробежные силы масс лопатки стремятся совместить линию ее центров масс с осью Я, т.е.
возникает изгибающий момент с составляющими М„и М, изгибающими лопатку в плоскостях соответственно ЯОУ и ЯОХ. Особенностью изгибающего момента центробежных сил является то, что он приводит к изгибу в направлении, противоположном направлению нагиба под действием газодинамических сил. Поэтому изгиб лопатки от центробежных сил обычно рассматривается как полезный фактор, позволяющий уменьшить напряжения изгиба в ней от газодинамических сил. Кручение лопатки под действием центробежных сил происходит в том случае, если линия центров масс ее сечений представляет собой пространственную кривую.
Такую лопатку можно рассматривать как естественно закрученный стержень, в поперечных сечениях которого при растяжении наряду с продольной силой и изгибающим моментом действует крутящий момент. Данная картина натруженна характерна для лопаток реактивных предкамерных турбин, которые имеют относительно большую длину, выполняются с переменным профилем по высоте, и могут иметь естественную закрутку.
Однако в активных автономных турбинах ТНА применяются обычно короткие лопатки с постоянной плошадью сечения по высоте; их линия центров масс представляет прямую. Поэтому напряжения кручения от центробежных сил в лопатках автономных турбин практически отсутствуют.
После выхода ТНА на установившинся рабочий режим по мере нагрева лопаток распределение температуры по сечению становится более равномерным, что приводит к значительному снижению температурных напряжений. Кроме указанных напряжений от статических нагрузок лопатки испытывают дополнительные напряженна при быстром изменении теплового Режима по времени ("'тепловой удар"), а также от механических колебаний пера лопатки (особенно при резонансе). Основным источником коле- 279 баний лопатки является неравномерность потока газа по окружности про.
точной части турбины, что вызывает периодическое изменение действующн, на лопатку газовьпс сил и как следствие этого — ее вынужденные изгибин. крутнльные колебания. Особенно опасны резонансные колебания лопатки которые имеют место при совпадении частот собственных и вынужденных колебаний лопатки и характеризуются резким увеличением амплитуды колебаний. НАПРЯЖЕНИЯ РАСТЯЖЕНИЯ ОТ ПЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ При расчете напряжений лопатку принято рассматривать как упругую консольную балку, жестко закрепленную на диске. При этом пользуютса системой прямоугольных координат Я, Х, У (рис. 11.14) . Ось Я перпенци.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
