Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей (1049215), страница 57
Текст из файла (страница 57)
К динамическим силовым нагрузкам относятся инерционные поперечные силы, возникающие при вращении неполностью уравновешенного ротора и вызывающие колебания вала; переменные по времени газовые силы, приложенные к лопаткам турбины и вызывающие колебания как самих лопаток, так и других элементов ротора — дисков, крыльчаток, валов и т.п 4 переменные по времени гидравлические силы„ инерционные силы и моменты, возникающие в деталях ТНА от вибраций двигателя и других подсистем летательного аппарата, К статическим (или сгаиионарным) тепловым нагрузкам относятся; усилия и моменты в соединяемых и сопрягаемых детапях, возникающие в связи с их неодинаковым нагревом при работе; внутренние усилия и моменты в деталях, обусловленные их неравномерным нагревом по толщине, длине и ширине (или по окружности).
Динамические (или нестационарные) тепловые нагрузки (так называемый '"тепловой удар") представляют собой быстропеременные во времени внутренние усилия и моменты в деталях,' возникающие при резком изменении теплового воздействия на деталь при запуске ТНА или резком переходе с одного теплового режима работы на другой.
В значительной степени воздействию теплового удара подвержены рабочие лопатки и диски газовых турбин. 261 Наиболее ответственные детали ТНА подвергаются воздействию широкого спектра нагрузок, делающих условия их работы особенно тяжелыми. При этом следует учитывать, что нагрев приводит к снижению механической прочности конструкционных материалов деталей. Рассмотрим тепловые нагрузки, возникающие в элементах ТНА с учетом особенностей динамики его выхода на рабочий режим. Особенно нагруженными элементами ТНА являются рабочие лопатки газовой турбины. В период запуска лопатка испьпывает одновременное воздействие теплового удара и газодинамических сил, в связи с чем в ней возникают температурные напряжения, изменяющиеся по толщине и ширине лопатки, а также напряжения изгиба и кручения.
По мере выхода ТНА на рабочий режим возрастает угловая скорость, приводящая к росту центробежных сил масс лопаток. В современных турбинах центробежная сила от одной лопатки достигает нескольких десятков килоньютонов. С прогревом лопатки температурные напряжения уменьшаются, однако одновременно ухудшаются механические свойства материала лопатки. Более подробно нагрузки и соответствующие напряжения в рабочих лопатках турбин рассматриваются в равд. 11.3.
К числу сильно нагруженных деталей относятся также диски газовых турбин, которые, как и рабочие лопатки, подвержены совместному воздействию нагрева и механических нагрузок. Нагружение дисков турбомашин и их прочность подробно рассмотрены в равд.
11.4. Отметим, что среди большого числа факторов натруженна дисков следует особо выделить растягивающие усилия от центробежных сил массы самого диска и закрепленных на нем рабочих лопаток, а также усилия растяжения — сжатия в диске, обусловленные его неравномерным прогревом вдоль радиуса. Данные факторы нагружения являются опасными, так как вызываемые ими напряжения достигают очень больших значений и,кроме того, распределяются почти равномерно по толщине диска. Последнее обстоятельство создает условия, при которых невозможно перераспределение напряжений по толщине диска с ростом нагрузки.
При расчете статической местной прочности диска указанные факторы нагружения рассматриваются как основные. Наряду со статическими нагрузками рабочие лопатки и диски подвер. жены воздействию динамических нагрузок, приводящих к вынужденным иэгибным колебаниям самих лопаток и дисков и передающихся другим элементам ТНА, таким, как валы, элементы корпусов, В ТНА существенны динамические силы, обусловленные парциальным подводом газа и наличием конечного числа сопловых, направляющих и рабочих лопаток. Изгибные колебания лопаток и дисков сопровождаются знакопеременными напряжениями, что при наличии большого числа циклов может привести к усталостному разрушению.
Особенно опасными являются так называемые резонансные режимы, когда частота вынужденных колебаний лопаток и дисков совпадает с частотами их собственных колебаний. Резонансные режимы сопровождаются недопустимо большими вибрациями и могут быть причиной быстрого разрушения ротора ТНА. Условия работы нагретых деталей турбины, особенно таких как рабочие лопатки и диски, осложняются еще и тем, что они подвержены воздействию коррозионно-активного газа (например, с большим избытком окислителя). Кроме того, при работе двигателя случайное уменьшение коэффициента избытка окислителя в ЖГГ (аг г к 1) может привести к недопустимому росту температуры генераторного газа и, как следствие, к разрушению лопаток и дисков. Осевые и радиальные нагрузки являются наиболее опасными в роторе ТНА, Они передаются от рабочих колес турбин, насосов, гидродинамических уплотнений и других элементов через вал на опоры ротора.
На вал ротора ТНА действует сложная система нагрузок, включающая в себя; 1) крутящий момент; 2) радиальные и осевые силы„. 3) центробежные силы от неуравновешенных масс ротора; 4) инерционные силы и гироскопические моменты, возникающие вследствие изменения величины или направления скорости ЛА. Крутящий момент от диска газовой турбины к рабочим колесам насосов на каждом участке вала зависит от значений передаваемой мощности М„и угловой скорости оэ: 'ти М кр Значение крутящего момента определяется суммой мощностей, затрачиваемых на привод элементов ротора (гидравлических устройств насосов и тл.), и передается данным участком вала.
Так, мощность, передаваемая валом к насосу, (11.2) н и где т' — объемный расход через насос, мз1с; Н вЂ” напор насоса, Дж/кг; р — плотность рабочей жидкости, кг/мэ; т1и — общий КПД насоса. При высоких угловых скоростях ротора ТНА значение крутюцего момента невелико (см. формулу (11,1)), а следовательно, малы и соответствующие напряжения. Осевые и радиальные нагрузки ротора ТНА передаются от рабочих колес турбин, насосов, гидродинамических уплотнений и других элементов через вал на опоры ротора.
Расчет вектора сил, действующих на ротор и его опоры, позволяет правильно выбрать радиальные зазоры в уплотнениях, конструктивно уменьшить нагрузку до приемлемых значении и наряду с выбором опоры обеспечить необходимые гидравлические и газодинамические параметры течения рабочих тел в полостях ТНА. Для высокоресурсных и вы- 263 сокооборотных насосных агрегатов расчет разгрузки опор ротора от осевых и радиальных сил является одной из важнейших задач. В газовой турбине радиальная сила возникает при парциальном подводе газа и для асимметричного расположения сопл оценивается по выражению ~т Лд= лч' 1 — соа 2 я е, (11.3) л~/ 2ли где и — окружная скорость на среднем диаметре рабочих лопаток турбины; е — степень парциальности, характеризующая отношение площадей участков среза всех сопел и венца турбины.
Из выражения (11.3) следует, что с увеличением числа сопел, степень парциальностн приближается к единице, а значение радиальной силы уменьшается до нуля. В парцнальной турбине радиальную силу Лд можно уменьшить разделением участка подвода газа по двум симметрично расположенным дугам, однако такое решение уменьшает КПД турбины. Из-за неравномерности полей скоростей и давлений по окружности выхода из рабочего колеса в центробежных насосах со спиральным отводом радиальная сила возникает на нерасчетных режимах по расходу.
Расчет осевой силы проводится с учетом конструкции основных элементов ротора, их размеров и результатов гидро- и газодинамического расчета всех рабочих элементов, составляющих ротор ТНА (турбина, центробежные и осевые насосы, импеллеры и т.п.) . В общем виде осевая сила К, на каждом нз элементов ротора состоит из статической составляющей давления А' и динамической К д„„от воздействия потока рабочего тела, Расчет и способы компенсации осевых сил на роторе ТНА рассмотрены в разд. 1 1.2, В элементах ротора ТНА возникают инерционные силы и моменты сил, связанные с особенностями его конструкции, точности изготовления и уравновешенности, а иногда из-за траектории полета ЛА (гироскопические моменты) .
Статическая и динамическая неуравновешенность элементов ротора характеризуется дисбалансом (т „е), максимально допустимое значение которого задается на чертеже с указанием радиуса и плоскости уравновешивания. Для одномассовой системы сила неуравновешенности Рн = .'. е ,Р (11.4) где гйя — неуравновешенная масса детали; е — условное смещение неуравновешенной массы относительно оси вращения. Неуравновешенность элементов ротора ТНА может приводить к опасным резонансным режимам его работы, чего нельзя допускать. Для этого значение частоты свободных нзгибных колебаний ротора отстраивают за пределы рабочей частоты вращения ротора ТНА, Инерционные силы н гироскопический момент ротора связаны ие только с компоновкой ТНА, но и с параметрами траектории ЛА.
Например, возникающая при ускорении инерционная сила нагружает ротор ТНА и его опоры, а также узлы крепления рамы ТНА к двигателю, При полете ЛА по криволинейной траектории с угловой скоростью й возникает повторное ускорение, вызывающее появление гироскопического момента, и для случая ш Э й имеем (11.5) М„= Уотйз1пд, где У вЂ” момент инерции массы ротора относительно снл вращения; ш— угловая скорость ротора; й — угол между осями, вокруг которых проис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
