Силовая схема двигателя.
При взаимодействии газовоздушного потока с элементами проточной части двигателя возникают усилия, которые передаются на узлы крепления самолета через корпус двигателя. Результирующая всех сил, действующих на двигатель- реактивная тяга- сила, которая приводит в движение самолет. Для изучения конструктивных схем, необходимо знать их силовые схемы, как передаются усилия по корпусу двигателя. Силовая схема состоит из корпуса компрессора, подшипников, камеры сгорания и турбины, которая при помощи фланцевых соединений болтами или шпильками соединяется в единую конструкцию, которая называется силовым корпусом, на всех двигателях к силовым корпусам крепятся входные и выходные устройства, коробки приводов, агрегаты, обеспечивающие работу двигателя. В турбовинтовых двигателях к силовым корпусам присоединяется редуктор. На силовых корпусах размещаются узлы крепления двигателя к самолету и приспособления для транспортировки двигателя. Силовые корпуса воспринимают силовые усилия:
Усилия от массы всех узлов двигателя.
Газодинамические силы, возникающие при взаимодействии газовоздушного потока, с элементами проточной части двигателя.
Крутящий момент, возникающий вследствие воздействия газовоздушного потока на лопатки статора.
Инерционные нагрузки, возникающие от неуравновешенности ротора, от изменения ускорения самолета, прямолинейной траектории.
В ТВД на силовые корпуса действует винта и реактивный момент. Часть этих усилий замыкаются в силовых корпусах, а часть усилий передается на самолет через узлы крепления в виде реактивной тяги. Все усилия, которые действуют на силовой корпус во время полета, изменяются в широких пределах. При изменении неуравновешенности сила ротора, возникает вибрация силового корпуса и его элементов. Отдельные части силового корпуса работают в различных температурных условиях. При большом перепаде температур и при отсутствии свободы перемещений, в деталях корпуса могут возникнуть температурные деформации, которые могут привести к разрушению двигателя. Поэтому к конструкции силового корпуса предъявляются требования:
Прочность и жесткость корпуса при наименьшей массе.
Отдельные детали корпусов, изготовленные из различных материалов, обладающие различными коэффициентами температурных расширений должны иметь свободу перемещений при температурных деформациях.
Корпуса двигателей должны обеспечивать простоту, удобство сборки и разборки двигателя и его узлов.
Корпуса должны иметь спец. люки для осмотра лопаток, деталей камеры сгорания, элементов проточной части двигателя без разборки двигателя.
Основным признаком, определяющим схему силового корпуса двигателя, является способ соединения корпуса компрессора с корпусом турбины. По этому признаку можно выделить 2 разновидности корпусов:
Схемы силового корпуса с одинарной связью, внутренней и внешней.
С двойной связью, которая может быть замкнутой и разомкнутой.
Внутренняя связь применяется в двигателях с трубчатой КС, корпус которой не входит в силовую схему двигателя. Особенность- наличие корпуса газосборника, про помощи которого корпус турбины соединяется с корпусом компрессора. Корпус компрессора крепится к внутренней связи. Недостаток- большая масса. Силовая схема расположена на окружности малого диаметра, поэтому для усиления корпуса двигателя необходимо устанавливать ребра.
Одинарная внешняя связь корпуса компрессора и турбины осуществляется при помощи корпуса камеры сгорания. Он имеет большой диаметр. Изготавливается из стали малой толщины, но обладает большой жесткостью и может воспринимать большие нагрузки при малой массе. Особенность- наличие элементов, передающий нагрузки от опоры двигателя к наружному корпусу. Эти силовые элементы пересекают среду с высокой температурой, поэтому необходимо проектировать для них тепловую защиту. Это усложняет конструкцию и увеличивает массу. Недостаток- большая масса. Существуют двигатели, в которых подобная связь является единственно возможной.
Отличие от предыдущих в том, что кроме внешней связи через корпус камеры сгорания существует внутренняя связь, поэтому нагрузки от ротора турбины не действуют на корпус двигателя. В этой схеме силовые элементы не пересекают поток горячих газов перед турбиной, поэтому конструкция тепловой защиты проста. Так же просто организуется смазка в подшипнике. Недостаток- наличие прочной и жесткой связи внешних и внутренних контуров у компрессора. Это необходимо для сохранения соосности подшипников турбины и требуемых радиальных зазоров между рабочими лопатками и корпусом турбины при работе двигателя. Данная схема может быть применена в двигателях с кольцевой и трубчато- кольцевой камерами сгорания
Корпус компрессора и турбины соединяется между собой двойной внешней и внутренней связью, т.е. таким образом, используется несущая способность обеих связей. Они связаны между собой радиальными силовыми связями в двух сечениях: за компрессором и турбиной. Замкнутая схема позволяет получить большую жесткость конструкции при малой массе корпусов. Недостаток- необходимо уделить внимание тепловому расширению деталей, входящих в связи, т.к. их рабочая температура различна. Эта схема наиболее распространена в современных конструкциях.
Крепление двигателя на самолете, а так же его подвеска производится посредством специальных узлов, устанавливаемых на силовом корпусе двигателя. В общем случае в узлы крепления двигателя передают самолету нагрузки:
Тяга
Силы инерции масс двигателя, возникающие при маневрах
Гироскопический момент от ротора двигателя, определяемый угловыми скоростями ротора ω и самолета Ω
Силы инерции и момент, возникающие от неуравновешенности ротора двигателя
На узлы крепления турбовинтового двигателя действует так же реактивный момент от винта, направленный в сторону, противоположную его вращению. При наличии на двигателе 2х винтов, вращающихся в противоположные стороны, реактивный момент равен разности моментов винтов. При определении гироскопического момента от ротора двигателя необходимо учитывать наличие редукторов и винтов. Конструкция и расположение на двигателе узлов крепления кроме удобства замены двигателя и технического обслуживания его на самолете предъявляются требования:
Точки подвески должны быть расположены на двигателе так, чтобы обеспечивалось крепление двигателя в направлении всех 6 степеней свободы, т.е. в осевом, вертикальном и горизонтальном направлении и вокруг этих осей. При этом система подвески должна быть статически определима, т.е. не допускается двойного крепления в направлениях и вокруг названных осей. Благодаря этому изолируется корпусная система двигателя от деформаций самолетной конструкции и предупреждения возникновения в узлах подвески больших нерасчетных нагрузок
Точки крепления двигателя в любых условиях полета и режимах работы не должны препятствовать термическим деформациям корпуса двигателя
Основные точки подвески должны быть расположены на силовых корпусах компрессора и в плоскости, близкой к центру массы двигателя. Как правило, такой плоскостью является плоскость внутренних силовых связей опор роторов компрессора
Дополнительные точки подвесок должны располагаться на корпусе турбины, а так же в плоскости внутренних связей опор турбины
Форсажная камера имеет дополнительные точки подвески в плоскости корпуса управляемого реактивного сопла, для того, чтобы обеспечивалась статическая определенность подвески. Форсажная камера должна быть присоединена к корпусу турбины с помощью шарнирного крепления
В случае легких тонкостенных конструкций корпусов для избегания больших местных радиальных деформаций и задевания лопаток за корпус не допускаются в точках подвески большие радиальные усилия
Для проведения такелажных, монтажных и транспортировочных работ на двигателе должны быть дополнительные точки подвески и поддержки, удовлетворяющие требованиям для основных точек подвески. При выполнении монтажных работ на самолете подвеска и поддержка двигателя в произвольных точках не допускается.