Нагрузки, действующие на узлы двигателя.
На узлы и детали двигателя действуют нагрузки в виде сил и моментов. В зависимости от природы возникновения нагрузок их можно подразделить на газодинамические, инерционные и температурные нагрузки. Газодинамические возникают при взаимодействии элементов проточной части двигателя с газовоздушным потоком. Возникают в конструкции при ускорении детали. Температурные при нагреве детали, если не обеспечена свобода перемещения детали. По направлению действия на элементы конструкции нагрузки можно разделить на осевые, радиальные и окружные. Осевые нагрузки- нагрузки, действующие по оси или параллельно оси двигателя, это осевые составляющие газодинамической силы, осевые силы инерции масс деталей. Если ускорение самолета направлено по оси двигателя. Радиальные нагрузки- радиальные составляющие газодинамической силы, силы тяжести, центробежные силы инерции вращающихся масс ротора, опорные реакции ротора от действия гироскопического момента. Окружные нагрузки- создают крутящие моменты относительно оси двигателя. По характеру деформаций различают следующие нагрузки: растягивающие и сжимающие и перерезывающие, изгибающие и крутящие моменты. Растягивающие и сжимающие силы создаются силами давления газов на детали двигателя и центробежными силами инерции вращающихся масс. Причина изгибающих моментов- газодинамические силы, силы тяжести узлов и деталей, силы инерции. Крутящие моменты возникают в элементах конструкции, когда изменяется окружная скорость газового потока. Часть нагрузок, действующих на детали двигателя уравновешиваются, и не передаются на узлы и крепления. Такие нагрузки называются внутренними или связанными. Например, центробежные силы, возникающие при вращении ротора двигателя уравновешиваются силами упругости материала деталей. Так же существуют усилия, которые частично замыкаются внутри двигателя- свободные усилия. Равнодействующая свободных усилий обычно передается на узлы крепления двигателя самолета.
Газодинамические нагрузки.
Возникают при воздействии воздушного или газового потока на детали в проточной части двигателя. Рассмотрим процесс появления газодинамических в проточной части газодинамического компрессора. Для этого изобразим развертку межлопаточного канала проточной части ступени компрессора. Межлопаточный канал образуется двумя лопатками.
Се 1-1сечение на входе в ступень
2-2 сечение на выходе из ступени
Р1-давление на входе
Р2- давление на выходе
С1- абсолютная скорость потока на входе
С2- абсолютная скорость потока на выходе
С1а – осевая составляющая потока на входе
С2а- осевая составляющая потока на выходе
F1- площадь на входе
F2-площадь на выходе
С1и- окружная составляющая на входе
С2и- окружная составляющая на выходе
Gв- расход воздуха
При расчете усилий, действующих на элементы двигателя за положительное направление принимается направление полета летательного аппарата, которое противоположно движению газовоздушного потока в проточной части двигателя. Для определения равнодействующей всех газодинамических сил, действующих в осевом направлении необходимо воспользоваться уравнением количества движения P= Gв(C2a-C1a)+P2F2-P1F1. Газодинамические силы в проекции на радиальное и окружное направление определяются аналогично, однако при этом необходимо учитывать проекции скоростей газа и площади сечений на радиальную или окружную ось, относительно которой определяется сила. Кроме этого существуют силы, действующие на другие элементы компрессора, например, газодинамические силы, которые действуют на поверхности, ограничивающие проточную часть рабочего колеса, т.е. силы от давления воздуха, воздействующие на передний и задний торцы ротора компрессора. Обычно общая сила, возникающая при движении воздушного потока на проточную часть и элементы компрессора рассчитывается по приближенной зависимости Pг= Pв[рок(Пк-1)+(Fвх-Fвых)]+ 0.5Gв(С1a-C2a), где Pв- давление на входе в компрессор, рок- средняя степень реактивности, Fвх\вых- кольцевая площадь на входе\выходе из компрессора…
Аналогично можно определить равнодействующую сил, действующую на ступень турбины:
1. сопловой аппарат турбины
2. защитный кожух корпуса подшипника
3. рабочие лопатки турбины
4. рабочий диск турбины
Газодинамическая сила, действующая по оси двигателя, определяется аналогично. Из равнодействующей осевых сил, действующих на лопатки турбины, которую находят суммированием всех сил, действующих на лопатки каждой ступени и осевых сил от давления на передней и задней торце ротора турбины Рот=Ррт+Рпт-Рзт. Для того, чтобы компенсировать силу, действующую на переднюю опору компрессора со стороны турбины принимается схема разгрузки:
Для разгрузки радиально упорного подшипника компрессора, воспринимающего силу тяги, подводится воздух, с повышенным давлением от одной из промежуточных ступеней компрессора, благодаря чему на переднем торце ротора возникает сила, направленная, в противоположную сторону силе тяги. Разгрузка подшипника так же достигается связью ротора компрессора с ротором турбины, т.к. осевые нагрузки на них действуют в противоположную сторону и подшипник воспринимает разность этих усилий.