книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 1 Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы

При работе ГТД все его детали и узлы испытывают воздействие разнообразных нагру­ зок - газовых, центробежных, инерционных, вибрационных, акустических, от температурных деформаций, от крутящих и изгибающих момен­ тов и др. Усилия от этих нагрузок передаются от детали к детали. В итоге усилия суммиру­ ются и передаются на внешнюю подвеску дви­ гателя или взаимно компенсируются («уничто­ жаются») без передачи на наружные элементы ГТД. Детали и узлы, которые воспринимают основные внутренние усилия и по которым осуществляется их дальнейшая передача, на­ зывают силовыми. Совокупность силовых де­ талей и узлов определяет силовую схему дви­ гателя.

Для удобства анализа работы деталей и уз­ лов ГТД, входящих в силовую схему, применя­ ется ее упрощенное графическое изображение. Обычно для таких схем используют условные изображения деталей и узлов, но обязательно по­ казывают их взаимное расположение и наличие всех существующих связей между отдельными элементами. Силовая схема двигателя во многом зависит от конструктивных особенностей его узлов - компрессора, камеры сгорания и турби­ ны, сопла, опор ротора, а также от выбора схемы крепления двигателя к самолету или к раме (на­ земные ГТУ). Как правило, при прочностных расчетах силовые схемы корпусов и роторов рассматривают отдельно.

При анализе работы деталей, входящих в сило­ вую схему ГТД, необходимо учитывать их тем­ пературное состояние. Часть деталей нагрета до высокой температуры и, следовательно, тем­ пературные деформации этих деталей могут яв­ ляться дополнительными нагружающими фак­ торами.

Силовая схема ГТД позволяет представить общую картину взаимодействия отдельных сило­ вых элементов двигателя, помогает определить усилия, действующие на конкретную деталь, что необходимо для оценки прочности и жесткости конструкции.

4.1.Усилия, действующие в ГТД

Вряде случаев усилия, действующие на де­ тали ГТД, замыкаются внутри детали и внешне не проявляются. Это прежде всего относится

к деталям, работающим в поле центробежных сил (диски, валы, рабочие лопатки компрессора и турбины). Такие усилия называются внутрен­ ними.

Усилия в узлах ГТД в основном передаются на соседние элементы силовой схемы, частично замыкаются внутри двигателя, а частично пере­ даются через детали системы подвески на са­ молет. Так сила тяги передается на самолет как равнодействующая осевых составляющих сил, действующих на элементы силовой схемы двига­ теля. Усилия, не замыкающиеся внутри двигате­ ля, называют свободными.

Основные нагрузки можно разделить на три группы по природе возникновения:

-газовые - обусловлены перепадом давления

вгазовом тракте двигателя и изменением скоро­ сти и направления газового потока;

-массовые (силы инерции и инерционные моменты) - возникают при вращении роторов двигателя, эволюциях самолета, взлете и посад­ ке, при наличии статического и динамического дисбалансов роторов;

-температурные - возникают из-за неравно­ мерного нагрева и/или охлаждения деталей, раз­ личного коэффициента линейного расширения их материалов, а также при стеснении темпера­ турных деформаций.

Силы и моменты, действующие на узлы и де­ тали двигателя, можно разделить на несколько видов по характеру деформации:

-растягивающие или сжимающие силы - воз­ никают вследствие давления газов на детали дви­ гателя и от действия центробежных сил вращаю­ щихся масс;

-изгибающие моменты - возникают от газо­ вых сил, масс узлов и деталей, а также от инер­ ционных сил;

-крутящие моменты - возникают в роторах от действия воздуха и газов на рабочие лопат­ ки компрессора и турбины и в корпусных дета­ лях от действия воздуха и газов на направляю­ щие лопатки компрессора и сопловые лопатки турбины.

В зависимости от направления действия на­ грузки могут быть разделены на осевые и попе­ речные, действующие в вертикальной и горизон­ тальной плоскостях. Моменты различного про­ исхождения могут действовать вокруг всех трех осей - продольной (совпадающей с осью двига­ теля), вертикальной и горизонтальной.

Глава 4. Силовые схемы ГТД

4.1.1. Осевые газовые силы

Осевое усилие Р0, возникающее на элементах конструкции двигателя от газовых сил, опреде­ ляется как сумма сил статических Рс и динами­ ческих Рд:

Статические силы возникают из-за изменения статического давления Рсгаза во входном и выход­ ном сечении элемента. Газодинамические силы возникают из-за изменения импульса газа (возду­ ха) при прохождении его через рассматриваемый элемент конструкции.

В общем случае усилие от статического дав­ ления определяется как

где р - статическое давление в рассматриваемом сечении;

F - площадь рассматриваемого сечения. Динамическое усилие от изменения импульса

газа определяется как

V\ и V2- скорость газа (воздуха) во входном и выходном сечениях рассматрива­ емого элемента.

Рассмотрим определение осевых сил в отде­ льных узлах и деталях ГТД.

За положительное направление сил примем направление движения воздуха (газа) в проточ­ ной части двигателя.

4.1.1.1. Входное устройство двигателя

Определяем усилие на внутреннюю стенку входного устройства (рис. 4.1).

Выбраны два сечения I-I - входное и И-П - выходное. Из газодинамического расчета в сече­ ниях известны скорости воздуха (V\, V2) и стати­ ческие давления (Pi, Р2).

Равнодействующая сил статического давления

где/i иf 2- площади входного и выходного се­ чений.

В нашем случае

у;=(я/4)</,2, (4.5)

/ 2= ( я /4) (dl-dl).

Динамическая составляющая определяется по формуле (4.3).

Кроме того, на внешнюю стенку входного ус­ тройства действует осевая сила Рв, получающая-

Рис. 4.1. Схема действия статических сил во входном

устройстве

ся от давления Рвнешвоздуха на наружную стенку обтекателя (определяется расчетом или продувкой входного устройства в аэродинамической трубе).

Таким образом, суммарная осевая сила, дейс­ твующая на входное устройство двигателя, рас­ считывается следующим образом:

Рову = PC+PR+PB= P\f\ ~ Pifi +

(4.6)

+т(Г2-У 0 + Р в.

4.1.1.2.Осевой компрессор дискового типа

Для осевого компрессора дискового типа при­ ложенная к ротору осевая сила определяется сле­ дующим образом (рис. 4.2):

где Рст/ - осевая сила, действующая на каждое ра­ бочее колесо.

Осевая сила, действующая на отдельное рабо­ чее колесо определяется следующим образом:

где РС1- сумма статических давлений, действую­ щих на рабочее колесо (т.е. на лопатки и диски);

Рд/- газодинамическое усилие, вызванное из­ менением импульса воздуха при прохож­ дении через лопатки.

В нашем примере рассмотрен вариант рас­ чета более сложного по конструкции рабочего колеса КВД с двухступенчатым лабиринтным уплотнением за рабочим колесом. Необходимо отметить, что в современных ГТД давление воз­ духа за компрессором достигает значительных величин - свыше 30 кгс/см2. Поэтому для мини­ мизации утечек воздуха из проточной части при­ меняются лабиринтные уплотнения из несколь-

ких ступеней. Естественно, для рабочих колес промежуточных ступеней, где отсутствуют лаби­ ринтные уплотнения, расчет суммы сил статичес­ ких давлений значительно проще и представляет частный случай рассматриваемого примера.

Сумма сил статических давлений, действую­ щих на рабочее колесо (рис. 4.3)

бочего колеса.

Таким образом, осевое усилие на отдельном рабочем колесе осевого компрессора определя­ ем как

Pc=pnin/4(D„f- dj) +p,n/4(d„f- dB) -

-р 3,л/4(Д,2- 4 ? ) -Р 2 п/4( d j- d j) -

-p3n/4(dBj - d j) - p 4n/4(djdB) +

+m (C 2v — CJK).

Конструктивно изменяя диаметральное рас­ положение лабиринтов, можно довольно в ши­ роких пределах варьировать величину осевой силы, действующей на диск. Таким методом ши­ роко пользуются при отстройке суммарного осе­ вого усилия, передаваемого на опору ротора (подразд. 4.1.1.6).

Осевое усилие, действующее на лопатки НА компрессора осевого типа, определяется анало­ гичным способом.

Осевая сила, действующая на проточную часть НА / ступени (рис. 4.4), определяется так же, как и для рабочего колеса, по следующей формуле:

Ра=Рш ( D j - d j ) я/4 -

-Рз( (A;2- d j ) п/4 +m (С 2у - С,у),

гдеРпьРи, Civ, C2V - статические давления и осе­ вые скорости на средних ра­

4.1. Усилия, действующие в ГТД

Рис. 4.2. Схема осевого компрессора дискового типа:

I - диски; 2 - рабочие лопатки; 3 - лабиринтные уплотнения; 4 - вал

Рис. 4.3. Схема действия статических сил на рабочее колесо осевого компрессора

Глава 4. Силовые схемы ГТД

Рис. 4.4. Схема действия статических сил на лопатку

направляющего аппарата осевого компрессора

Осевые силы на рабочие лопатки и НА ком­ прессора действуют в сторону входа и дости­ гают величин, в несколько раз превышающих тягу двигателя. Их определение необходимо для расчета на прочность и деформацию элементов конструкции роторов, корпусов осевого комп­ рессора и опор.

Осевые силы вызывают растяжение ротора компрессора и корпуса. Усилия растяжения воз­ растают от первой ступени к последней, так как происходит сложение осевых сил ступеней.

Определение осевых усилий для осевых ком­ прессоров барабанного типа (рис. 4.5) произво­ дится по этой же методике, но оно упрощено, так как для средних ступеней компрессора нет необходимости определять перепады статичес­ ких давлений на дисках.

4.1.1.З. Камера сгорания

Осевые усилия, действующие на КС, опреде­ ляются как сумма приложенных к ней статичес­ ких и динамических усилий.

Для КС, изображенной на рис. 4.6, осевая сила, действующая на внутренние поверхности

Рис. 4.5. Схема осевого компрессора барабанного типа:

1 - диски; 2 - рабочие лопатки; 3 - лабиринтные

уплотнения; 4 - барабан ротора; 5 - вал

Д , dn, Д , d2 - геометрические размеры КС на входе и выходе.

Учитывая, что расход газа на выходе из КС больше расхода воздуха на входе в нее всего на 1 ...2 %, эту формулу можно упростить, т.е.

Рже = m l V ,-V 2) +n/4 (Р, (Ра - d„2) -

,2 (4-14)

Осевая сила КС действует в сторону компрес­ сора и достигает величины, значительно превы­ шающей величину тяги двигателя.

4.1.1.4. Турбина

Осевое усилие от газовых сил, действующее на рабочее колесо и сопловые аппараты турби­ ны, определяется точно так же, как и для комп­ рессора, при этом осевая сила турбины всегда направлена в сторону сопла.

4.1.1.5. Сопло

Осевое усилие, действующие на сопло, опреде­ ляется как сумма осевых составляющих статичес­ ких сил, действующих на разные элементы сопла, и динамических усилий потока воздуха (газа).

В наиболее сложном случае двухконтурно­ го двигателя с внутренним смешением потоков осевая сила может быть определена следующим образом (для про стоты расчетов примем, что смешение потоков воздуха наружного контура и газа внутреннего контура происходит мгно­ венно в плоскости смешения):

где Д с - суммарное осевое усилие, действую­ щее на сопло;

X Рос - сумма осевых составляющих стати­ ческих усилий, действующих на раз­ ные элементы сопла;

X Р0д - сумма динамических усилий потока воздуха и газа.

В свою очередь

X Р ос = Ровх - Роср - Р о к +

(4.16)

+ Р 0вн+ Роем + Рок.

Определим величину каждой из составляющих. Осевая равнодействующая сил статического

давления на входе

Для упрощения расчетов наружный диаметр внутреннего контура на входе в сопло принима­ ем равным внутреннему диаметру канала наруж­ ного контура.

Осевая равнодействующая сил статического

где Д - статическое давление газа на срезе сопла; dc - диаметр сопла.

Осевая равнодействующая сил на срезе конуса:

где Дт,- статическое давление газа на срезе сопла; dK- диаметр сопла.

Осевая равнодействующая сил статического давления на наружную стенку сопла

4.1. Усилия, действующие в ГТД

Po.u=P,„(D j-dc2)n /4 -

-P A D j-d ? ) я/4,

где Рпв - среднее внутреннее статическое давление воздуха на наружную стенку сопла (для упрощения примем Рнв = (Рнар + Рс)/2,

Д - статическое наружное давление (часто это давление принимается равным ат­ мосферному, т.е. Р„= Ратм).

Таким образом

Рош= я/4 (D j - d2) х

(4.21)

X (Л а р + Л ~ 2 Л т ч ) /2

Аналогично определяется осевая составляю­ щая сил статического давления на стенку сме­ сителя:

Роем = л/4 (dBJ - D j) (Рвн +Рсм)/2 -

(4.22)

- я/4 (Лвхн2 - Д м 2) (Рнар +Рсм)/2,

где Д м - диаметр смесителя; (Рвн+ Д м)/2 - среднее внутреннее статичес­

кое давление на стенку смеси­ теля;

(Дар + Д м)/2 - среднее наружное статичес­ кое давление на стенку смеси­ теля.

После преобразований получим

Росы = 31/4 (d.J - D j) (Р.„ - Лар)/2. (4.23)

Осевая составляющая сил статического дав­ ления на внутренний корпус сопла:

Л к = я/4 (d,x,2 - d 2) Р „ -

(4.24)

- n / 4 ( d j - d 2) (Л „+Л .)/2,

где (Д„ + Д в)/2 - среднее наружное статическое давление на корпус сопла.

После преобразований получим

Дк = я/4 (d j - d;) (Д в - Д н)/2. (4.25)

Сумма динамических усилий от потока возду­ ха и газа через сопло

У'Р (^внар~^~ ^гвн)Д ~ ^внарДар ^гвн Дн» (4.26)

где т внар - расход воздуха через наружный контур; тгвн - расход газа через внутренний контур; Ус - скорость газа на срезе сопла; Дар - скорость воздуха в наружном контуре

на входе в сопло;

VBH - скорость газа во внутреннем контуре на входе в сопло.

Осевая сила, действующая на сужающееся ре­ активное сопло, всегда имеет направление «на­ зад» (т.е. против полета для авиационных двига­ телей). На расширяющуюся часть сопла Лаваля осевое усилие имеет направление «вперед».

Предложенная выше модель расчета осевых сил, действующих на сопло, предназначена для относительно конструктивно сложного двухкон­ турного авиационного ГТД. Определение осевых сил для других конструкций сопла может рас­ сматриваться как частный случай приведенной методики.

4.1.1.6. Осевая сила

В газотурбинных двигателях вал турбины свя­ зан с валом компрессора, благодаря чему осевая сила компрессора в значительной степени урав­ новешивается осевым усилием турбины, а неурав­ новешенная часть осевого усилия воспринимает­ ся упорным подшипником ротора и передается через силовые элементы опоры на корпусные детали двигателя. Величина осевой силы, харак­ тер ее изменения от запуска до максимально­ го режима работы двигателя является важным параметром, влияющим на работоспособность подшипника. С целью контроля расчетных ве­ личин осевой силы проводят замер фактичес­ кой осевой силы, действующей на шарикопод­ шипник ротора на специально оборудованном двигателе.

Необходимо заметить, что осевое усилие на рабочем колесе можно регулировать, меняя рас­ положение на его боковых поверхностях уплот­ нений, и, следовательно, составляющую осевой силы на образованных ими кольцевых поверх­

ностях. Для того чтобы разность осевых сил ком­ прессора и турбины, называемая просто «осевая сила», не превышала величину, допустимую для упорного подшипника, расположение уплотне­ ний на дисках определяют расчетными методами и уточняют экспериментально.

Для измерения осевой силы применяют тен­ зометрические кольца, установленные в корпусе опоры с обеих сторон наружного кольца упорно­ го шарикоподшипника.

Тензокольца представляют собой плоские упругие кольца 1 специальной конструкции (рис. 4.8). На поверхностях Оь 0 2 кольца 1 зер­ кально установлены (наклеены) тензодатчики 2. При приложении осевого усилия на опорные площадки выступов 3 тензокольца происходит деформация площадок с появлением сжимаю­ щих усилий с одной стороны площадки и рас­ тягивающих усилий - с другой стороны. Дефор­ мация площадок вызывает деформацию тензо­ датчиков, наклеенных на площадки, и изменение их сопротивления, что контролируется соответс­ твующей аппаратурой.

Для проведения испытания по замеру осево­ го усилия на двигателе (рис. 4.9) опора 1 шари­ коподшипника и сам шарикоподшипник 2 дора­ батываются под установку тензоколец 3 спра­ ва и слева от наружной обоймы подшипника. Сигналы с тензодатчиков этих колец выводятся на стендовую контрольно-записывающую аппа­ ратуру и непрерывно записываются во время испытания. При наличии осевой силы, направ­ ленной вперед, деформируется переднее тензокольцо и, наоборот, при появлении осевой силы, направленной назад, деформируется заднее тензокольцо. Степень деформации тензокольца за­ висит от величины осевого усилия и определяет

току и увеличение кинетической энергии вра­ щательного движения воздуха. Окружное уси­ лие и момент на рабочем колесе от воздействия воздуха направлены против направления вра­ щения.

Для НА момент получается с отрицательным знаком, что означает уменьшение кинетической энергии вращательного движения и переход ее в давление. Окружное усилие и момент, дейс­ твующие на НА, направлены в сторону враще­ ния РК.

Крутящие моменты, действующие на ротор и корпус компрессора, суммируются, начиная с первой ступени. Наибольшие крутящие мо­ менты действуют за последней ступенью ком­ прессора. Крутящий момент для любого проме­ жуточного сечения ротора или корпуса опреде­ ляется как сумма моментов всех предыдущих

РК

Рис. 4.13. Определение крутящего момента на лопатках

компрессора

ступеней. Расчет этих моментов необходим для оценки прочности элементов конструкций рото­ ра и корпуса.

Величины крутящих моментов, действую­ щих на ротор и статор турбины, определяются аналогичным образом. Но процессы, происхо­ дящие в турбине, носят противоположный ха­ рактер, а следовательно, направление действия крутящего момента будет направлено в другую сторону.

4.1.3. Инерционные силы и моменты

Инерционные силы и моменты возникают в деталях двигателя от статической и динами­ ческой неуравновешенности роторов, а также от изменения скорости и траектории самолета, на котором закреплен двигатель.

Неуравновешенные силы и моменты роторов двигателя передаются на корпуса через подшип­ никовые опоры. Направление действия этих сил меняется во времени, а величины этих сил про­ порциональны квадрату частоты вращения рото­ ра. Благодаря высокой точности балансировки ро­ торов амплитуды этих сил и моментов невелики. Однако, действуя с высокой частотой, они способ­ ны вызывать вибрации корпусов и усталостные повреждения в них. Более подробно вопросы ста­ тической и динамической неуравновешенности роторов рассмотрены в подразд. 14.5.

При разгоне и торможении самолета появля­ ется дополнительная осевая сила (к силе обус­ ловленной газовыми нагрузками), нагружающая ротор двигателя и передаваемая на корпус че­ рез упорные подшипники. Значение этой силы

Глава 4. Силовые схемы ГТД

может превышать массу ротора в несколько раз. Кроме того, эта дополнительная сила нагружает узлы крепления двигателя к самолету.

При отклонении траектории полета самоле­ та от прямолинейной возникает угловое ускоре­ ние, которое вызывает гироскопический момент и инерционные перегрузки. Величина гироско­ пического момента пропорциональна угловому ускорению и частоте вращения ротора и может быть определена как

где I - массовый момент инерции ротора относительно оси его вращения;

Q = 2я/т - средняя угловая скорость враще­ ния самолета в пространстве;

т- время, необходимое для соверше­ ния рассматриваемого поворота

При отсутствии точных данных момент инер­ ции ротора (кг • см *с) можно определять прибли­ женно по формуле

где R - статическая тяга двигателя, кг;

.v = 1 - для ротора с центробежным компрес­ сором;

х= 2 - для ротора с осевым компрессором;

*= 20...30.

Направление гироскопического момента опре­ деляется по направлению действия поворотного ускорения. При этом удобно пользоваться прави­ лом: гироскопический момент, возникающий при отклонении самолета от прямолинейной траекто­ рии, направлен таким образом, что под действием его самолет стремится повернуться в пространс­ тве так, чтобы направления вращения с угловы­ ми скоростями со и Q, видимые от постороннего наблюдателя, совпадали. На рис. 4.14 приведен пример определения направления действия гирос­ копического момента.

Гироскопический момент имеет весьма боль­ шую величину. Он передается на корпус от ротора через подшипники и опоры, вызывая в корпусах и роторах напряжения изгиба. Для уменьшения сил, действующих от гироскопического момента на подшипники и опоры, расстояние между пос­ ледними выбирают как можно больше.

Угловую скорость вращения самолета можно также определить по коэффициенту перегрузки.

При эволюциях самолета возникает центро­ бежная сила инерции ротора (см. рис. 4.14):

Принимая во внимание, что скорость полета по траектории V = Q r , из выражения (4.31) мож­ но найти величину £2.

где V- скорость полета самолета.

Для самолетов-истребителей величина коэф­ фициента перегрузки к\= 8... 10 (десятикратная перегрузка получается, в частности, при выходе самолета из пикирования).

4.2.Силовые схемы роторов

Силовые схемы роторов отличаются следу­ ющим:

-способом соединения дисков ступеней ком­ прессора и турбины между собой;

-числом и расположением опор;

- способом соединения роторов турбины

икомпрессора для передачи крутящего момента

иосевых сил;

-способом фиксации осевого положения ро­ торов, исключающего их смещение и нарушение

со

Рис. 4.14. Определение направления действия

гироскопического момента на ротора двигателей

самолета