Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей (1049215), страница 60
Текст из файла (страница 60)
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 зто может привести к задирам. Удовлетворить обоим требованиям можно лишь при наличии крутой характеристики Р = Г(й т) (рис. 11.8), когда даже малые изменения зазора лз вызывают большое изменение силы на разгрузочном устройстве. Наклон характеристики определяется отношением перепадов давлений ор Р= — (АР=Ро-рт, АРт =Р~ -Рт).
Расчет автоматического разгрузочного устройства сводится к выбору таких его геометрических размеров, которые бы обеспечивали выполнение равенства г" = Вг (71, — осевая сила на роторе), при минимуме объемных потерь И и приемлемых зазорах 7г т. 11.3. ПРОЧНОСТЬ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН НАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮВ1ИЕ В РАБОЧИХ ЛОПАТКАХ П аботе ТНА в рабочих лопатках осевой газовой турбины возни- ри ра кают статические напряжения; Р астяжения от центробежных сил масс самой лопатки и бандажа; изгиба от воздействия на лопатку газовой силы, возникающей при дви. женин газа по межлопаточным каналам; изгиба от центробежных сил масс лопатки и бандажа; кручения от центробежных масс лопатки; кручения от газовых сил, действующих на лопатку.
Кроме зтого, под действием вибраций в пере лопатки возникают динамические напряжения изгиба и кручения, а в связи с ее неравномерным нагревом по сечению — температурные напряжения. Соотношение мсжцу значениями указанных напряжений зависит от ежима 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 атой газовая сила рассматривается как распределенная по длине стержня поперечная сила. Наличие такой силы приводит к изгибу лопатки. К учение лопатки под действием газодинамических сил возникает в том случае, если с центром жесткости 0 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 и'„= (2...6) ° 10т 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 темпера. ту ой, давлением и скоростью газа, омывающего лопатку, наличием охлаж. денна, материалом, конструкцией лопатки, степенью парциальности 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 рис, 11.9. Схема приложения крутящего момента от газовых сил к перу лопатки прс Рис. 11.10. Распределение температуры по толщине профиля ло- патки Рис. 11.13. Изгиб лопатки нентробежнымп снламн 0 100200300 40050атлс средней линии между кромками и центром лопатки он может достигать в процессе прогрева существенных значений (около 200.„400 'С). Как видно из графиков, прогрев лопаток после запуска ТНА происходит сравнительно быстро — в течение 8...10 с, после чего температурный градиент стабилизируется и не превышает 50...60 '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,! 2. 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. Максимальное значение температурных напряжений в лопатках соответствует режиму запуска и может достигать в конструкциях ТНА (10...15) 1От Па. Однако несмотря на большой уровень температурных напряжений, они 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 Рпс. 11.11. Распределение температуры по средней линни профиля лопатки Рис.
11.12. Распределение температуры н температурных напряжений вдоль средней линни профиля лопатки д'С 000 Ус 100 278 0М от центробежных сил — их наибольшие значения соответствуют режиму максимальной частоты вращения. Напряжения растяжения от центробежных сил являются наиболее опасными, так как в современных ТНА достигают значения (15 ...18) . 10' Па; кроме того, столь высокие напряжения распределяются равномерно 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 ис.
11.13 . осью 71, которая проходит через центр масс корневого сечения (рис, . ). сл чае и и в ащении турбины центробежные силы масс лопатки стремятся совместить линию ее центров масс с осью, т,е. изгибающий момент с составляющими М„и М „изгибающими лопатку в плоскостях соответственно ЯОУ и ЯОХ. Особенностью изгибающего мо- отивоположном направлению изгиба под действием газодинамических сил, Поэтому изгиб лопатки от центробежных сил обычн р б о ассматривается как полезный ч, фактор, позволяющий уменьшить напряжения изгиба в ней от газодинамических сил. Кручение лопатки под действием центробежных сил происходит в том случае, если линия це р ия ентров масс ее сечений представляет собой пространствен ю кривую.
аку р . Т ю лопатку можно рассматривать как естественно закрученный стержень, в поперечных сечениях которого при растяжении на я с продольной силой и изгибающим моментом действует крутящий момент. Данная картина нагружения характерна для лопаток р еактивных и едкамерных тур ин, б н, которые имеют относительно большую длину, Р выполняются с переменным профилем по с, ут вы оте, и мог иметь естественную закрутку.
Однако в активных автономн ур ых т бинах ТНА применяются обычно ко откие лопатки с постоянной площадью сечения по высоте; ся о ычно кор т и их линия центров масс представляет прямую. озтому н р чения от центробежных сил в лопатках автономных турбин практически отсутствуют. После выхода ТНА на установившийся рабочий режим по мере нагрева лопаток распред еление температуры по сечению становится более равномер- иводит к значительному снижению температурных напряжений. ным, что приводит к о лопатки испы- Кроме указанных напряжений от статических нагрузок ло тывают дополнительные напряжения при б р быст ом изменении теплового режима по времени ("тепло (" вой удар"), а также от механических колебании пера лопатки т (особенно при резонансе).
Основным источником коле- 279 (11.29) с1Р =Яса~с1т или, учитывая, что с(т = ррсИ, Яе р 2 с Р!эх Я (11 31) Яи р 2Р (Р!Р Я (11.32) тбй и"' б с а б и Р 2Р а с 2 2 (!! .34) Рис. 11.15. Расчетная схема лопатки 2ВО баний лопатки является неравномерность потока газа по окружности проточной части турбины, что вызывает периодическое изменение действующих на лопатку газовых сил и как следствие этого — ее вынужденные изгибнокрутильные колебания. Особенно опасны резонансные колебания лопатки, которые имеют место при совладении частот собственных и вынужденных колебаний лопатки и характеризуются резким увеличением амплитуды к олеб алий. НАПРЯЖЕНИЯ РАСТЯЖЕНИЯ ОТ ПЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ При расчете напряжений лопатку принято рассматривать как упругую консольную балку, жестко закрепленную на диске.
При этом пользуются системой прямоугольных координат К, Х, У (рис. 11.14) . Ось 22 перпеццикулярна оси вращения и проходит через центр масс корневого сечения лопатки. Ось Х совпадает с осью вращения и направлена в сторону потока газов, Ось Х перпендикулярна плоскости ЯОХ, причем положительное направление выбирается так, чтобы при повороте оси У в направлении вращения лопаток ее положительная часть совместилась с положительной частью оси )Т.
Введем следующие обозначения для размеров лопатки: !2 и )2 и )сер радиусы соответственно корневого, внешнего и среднего сечений лопатки; Ь „— полная высота лопатки, Ь „= Я и — Я „; Ь вЂ” текущее значение высоты лопатки, отсчитываемой от корневого сечения; Р, Рп — плошади внешнего и корневого сечений лопатки; з — число лопаток; р — массовая плотность материала. Рассмотрим лопатку, вращающуюся вместе с диском вокруг оси с Рне. 1!И4.
Система координат и основные обозначения прн расчете напряжений от центробежных сни в пере лопатка угловой скоростью са. Вьщелим бесконечно малый элемент лопатки на текущем радиусе 22 с площадью сечения Р (рис. 11.15) . Пентробежная сила от массы с1т бесконечно малого элемента будет АР = рсазгЯсИ. (11.30) Центробежная сила части лопатки от рзднуса К до вершины лопатки!си Окончательное определение центробежной силы зависит от закона изменения площади сечения лопаткин по ее длине.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
