Массовые силы элементов конструкции

СИЛОВЫЕ СИСТЕМЫ ГТД

Силовая система ГТД – система узлов и деталей, воспринимающих усилия, действующие на элементы ГТД, и передающая результирующую действующих сил на узлы крепления двигателя к самолёту.

Она состоит из силовой системы ротора и силовой системы статора.

Структурная схема силовой системы ГТД

Силовая система ГТД может быть представлена в виде структурной схемы.

Графическое отображение силовой системыможет быть в виде схемы. Силовая схема - схематичноеграфическое отображение силовой системы.

Силовая схема показывает структуру и направление передачи усилий и моментов, возникающих в двигателе.

Силовая система ГТД может быть также графически отображена конструктивно-силовой схемой.

Конструктивно-силовая схема – схематичное графическое отображение взаимного положения узлов, деталей и элементов ГТД, невоспринимающих и воспринимающих усилия, действующие на них, и передающих результирующую действующих сил на узлы крепления двигателя к самолёту.

Усилия, действующие в ГТД.

При работе двигателя на его детали и узлы действуют усилия (силы и моменты):

массовые силы элементов конструкции ( тяжести,инерции );

гироскопические моменты роторов двигателя;

тепловые нагрузки;

вибрационные нагрузки;

газовые (аэродинамические) силы;

механические силы (силы трения).

 

Массовые силы элементов конструкции

    Сила тяжести

Р = Mg,

где M – масса конструкции двигателя,

g -ускорения свободного падения

Силы инерции движущихся масс

    Силы, вызывающие перегрузку

,

где - коэффициент максимальной эксплуатационной перегрузки,
n _{э. max} = а/ g, «э» - эксплуатационная перегрузка.

Для истребителей =8 (в вертикальной плоскости). Для пассажирских самолетов =2,5….3,6 – полет в неспокойном воздухе (ТУ-154).

   

Силы от статической неуравновешенности ротора

Центробежные силы инерции возникают в элементах конструкции вращающегося ротора ГТД.

Они определяются по формуле

Р_цб = m (u ² / e) = me w ²,

Где m – масса неуравновешенная;

  u – окружная скорость вращения ротора (м/с);

е – смещение центра масс от оси вращения (эксцетриситет);

  w - частота вращения.

Р_цб переменная по направлению сила. Она – источник вибрационных нагрузок.

 

Гироскопические моменты

При выполнении самолетом эволюций на вращающийся ротор двигателя действует гироскопический момент

М_г= J_p W w sin q,

где J_p – массовый полярный момент инерции ротора относительно оси вращения,

,

w - угловая скорость ротора,

W - угловая скорость самолета при его эволюции,

q - угол между векторами w и W.

    Для цилиндра J_p = Mr ², где М – масса цилиндра, r – его радиус.

W = V / R,

где V – скорость полета самолета, R – радиус кривизны траектории, например, радиус виража или выхода из пике.

Чем больше скорость полета и меньше радиус траектории, тем больше угловая скорость самолета.

Удобно пользоваться системой координат xyz, откладывая от начала координат по оси х вектор угловой скорости  (по отечественному стандарту вращение ротора происходит против часовой стрелки, если смотреть со стороны сопла, поэтому откладываем вектор , направленный в отрицательную сторону по оси х. При этом удобно пользоваться следующим правилом: гироскопический момент, возникающий при отклонении самолета от прямолинейной траектории, стремится повернуть самолет в пространстве так, чтобы вектор угловой скорости вращения ротора совместился с вектором самолета угловой скорости вращения самолета (при этом вращение происходит в сторону меньшего угла между векторами).

Вибрационные нагрузки

При работе ГТД его детали подвергаются действию знакопеременных (вибрационных) нагрузок.

Основными источниками возникновения знакопеременных нагрузок являются окружная и радиальная неравномерность потока газа в проточном тракте двигателя и неуравновешенные центробежные силы вращающихся масс ротора. Неравномерность потока газа создают стойки корпусов, направляющие и спрямляющие аппараты, входное устройство двигателя, перепуск или отбор воздуха из проточного тракта, пульсационное горение в камерах и т. п.

Газовые силы

Они возникают при течении газа по какому-либо каналу и передаются через стенки на узлы крепления для неподвижных деталей или приводят во вращение случае подвижных (рабочие лопатки).

Для их определения выделим канал, ограниченный твердыми стенками, и возьмем в нем два сечения 1-1 и 2-2.

Ось х направим по полету, ось у – в окружном направление по вращению ротора. Обозначим через R силу, действующую со стороны газа на стенку, и разложим ее на два направления – Rу – окружное и Rх - осевое.

Ограничимся пока определением осевой силы. Она, согласно уравнению Бернулли, состоит из двух компонент – статической Rст и динамической Rд:

Rх = Rст + Rд, Rст =Р₂F₂ - Р₁F₁, Rд´t=mV₂ - mV₁,
где Р₁ и Р₂ – давления в сечениях 1-1 и 2-2, m – масса газа, τ – время.

Rд =V₂´m/t-V₁´m/t, или Rд = G(C_2x-C_1x)

G – секундный расход воздуха; С_1x и С_2x – осевые составляющие скорости.

Осевая сила равна     Rx= G(C_2x-C_1x)+ Р₂F₂-Р₁F₁.

Баланс осевых сил в ТРД

Тяга ТРД образуется в результате суммирование осевых составляющих сил входного устройства, ВНА, направляющих аппаратов всех ступеней компрессора, камеры сгорания, турбины и выходного устройства. В ГТД тягу увеличивает также осевое усилие на РУП.

Эти усилия через корпус двигателя, силовые пояса и узлы крепления двигателя передаются на самолет, создавая тягу

 

Силовые системы роторов включают роторы компрессоров, турбин и соединяющие их валы. Они различаются по количеству и расположению опор. Каждый ротор двигателя должен иметь как минимум две опоры (роторы крупных ГТД могут иметь 3 или 4 опоры).

Одна из опор ротора - радиально-упорная. Она обеспечивает его осевую фиксацию относительно статора и кроме радиальных нагрузок воспринимает осевую силу ротора. В радиально-упорных опорах используются шариковые подшипники.

В остальных, радиальных опорах - используют роликовые подшипники. Схемы систем роторов (использовать лабораторные работы студентов).

Радиальные связи

Рассмотрим одновальный двигатель. По числу опор он может быть

двухопорным, трехопорным и четырехопорным.

Двухопорные

Достоинство – система статически определима.

Недостаток – большое расстояние между опорами, следовательно, малая жесткость и большие прогибы.

Рассмотрим схему а. Д остоинство – задняя опора расположена в зоне низких температур.

  Недостаток – большое расстояние между опорами. Пример: КВД двигателя Д-36.

Схема б. Достоинство – малое расстояние между опорами.

Недостаток – консольное расположение роторов ОК и ГТ, что возможно при числе ступеней, не превышающем 3.

Поэтому в компрессорах применяется только в каскаде НД – на вентиляторе. При большем числе ступеней увеличиваются прогибы ротора, что и ограничивает применение данной схемы.

В чистом виде такая схема практически не применяется.

Схемы в, г. Достоинство – снижается расстояние между опорами.

Недостаток – связан с появлением консольных участков, о которых говорилось при рассмотрении схемы б.

Схема в применяется в двигателях без ВНА, в основном для размещения вентилятора (вентилятор двигателя Д-36).

Схему г можно использовать только при небольшом количестве ступеней турбины (каскад СД двигателя Д-36).

Трехопорные

Радиально-упорный подшипник желательно ставить ближе к узлу, где осевое смещение ротора влияет на осевой зазор. Обычно РУП ставится в районе средней опоры двигателя.

Достоинство:

– повышенная жесткость ротора.

 Недостатки –

1. Система один раз статически неопределима, если ротора ОК и ГТ соединены жестко.

2. Повышенные требования к соосности опор.

Для того, чтобы система была статически определима, в узел соединения вводят шарнир, а крутящий момент передается через шлицы.

Схема а. Достоинство – удобство доступа к РУП в процессе эксплуатации с целью его осмотра и дефектации.

Недостаток – большое удлинение ротора в районе турбины.

Пример – ГТД 3Ф, ТВД-10Б.

Схема б. Достоинство – оптимальное распределение удлинения по оси ротора. Пример – АЛ-21Ф-3, КНД Д-30, Д-30КУ (если не учитывать межвального подшипника).

Схемы в, г. Достоинство – уменьшается расстояние между опорами и, следовательно, повышается жесткость ротора и возрастают критические обороты.

Недостаток – наличие консольных участков требует увеличенных радиальных зазоров по лопаткам, что приводит к снижению кпд.

Примеры. Схема в) может использоваться только для компрессоров без ВНА: АИ-25, каскад НД ПС-90 (без учета межвального подшипника), Р-79В-300 (подъемно-маршевый двигатель, «Союз»).

Схема г): АИ-20, АИ-24, АЛ-7, АМ-3, АМ-5, РУ-19-300, РД-9Б, Д-25В,

 Д-20П.

Как видно из приведенных примеров, наибольшее применение нашли схемы б) и г).

Требования к подвижным соединениям

1. Конструктивная простота и надежность

2. Допустимость подхода к соединениям инструментами сборки, разборки и контроля.

Четырехопорные роторы

Достоинство – повышенная жесткость ротора.

Недостаток – система дважды статически неопределима. Из-за этого значительно усложняется сборка ротора.

Например, в двигателе НК-12 роликоподшипник перед турбиной зачастую работал с недогрузкой вследствие неопределенности своего положения. Из-за этого возникало проскальзывание роликов, ведущее к их преждевременному износу. Для устранения этого дефекта в настоящее время задняя опора при сборке смещается вниз на 0,17мм, что как бы «переламывает» ось двигателя, за счет чего догружается передний роликовый подшипник турбины.

    Другие примеры четырехопорной конструкции роторов – ТР-1 (1947г), АЛ-5 (Люлька, 1952г). Таким образом, четырехопорные двигатели использовались только в самом начале широкого применения газотурбинной техники. Сейчас в основном используются трехопорные и даже двухопорные (Д-36) роторы.

 

Силовая система статоров

Силовая система статоров включает корпуса входного устройства, компрессора, камеры сгорания, турбины, выходного устройства, опор, направляющие аппараты компрессора и сопловые аппараты турбины.

СИЛОВЫЕ СИСТЕМЫ ГТД

Силовая система ГТД – система узлов и деталей, воспринимающих усилия, действующие на элементы ГТД, и передающая результирующую действующих сил на узлы крепления двигателя к самолёту.

Она состоит из силовой системы ротора и силовой системы статора.

Структурная схема силовой системы ГТД

Силовая система ГТД может быть представлена в виде структурной схемы.

Графическое отображение силовой системыможет быть в виде схемы. Силовая схема - схематичноеграфическое отображение силовой системы.

Силовая схема показывает структуру и направление передачи усилий и моментов, возникающих в двигателе.

Силовая система ГТД может быть также графически отображена конструктивно-силовой схемой.

Конструктивно-силовая схема – схематичное графическое отображение взаимного положения узлов, деталей и элементов ГТД, невоспринимающих и воспринимающих усилия, действующие на них, и передающих результирующую действующих сил на узлы крепления двигателя к самолёту.

Усилия, действующие в ГТД.

При работе двигателя на его детали и узлы действуют усилия (силы и моменты):

массовые силы элементов конструкции ( тяжести,инерции );

гироскопические моменты роторов двигателя;

тепловые нагрузки;

вибрационные нагрузки;

газовые (аэродинамические) силы;

механические силы (силы трения).

 

Массовые силы элементов конструкции

    Сила тяжести

Р = Mg,

где M – масса конструкции двигателя,

g -ускорения свободного падения