Влияние упругости опор на критические скорости.

Данная схема вала показывает, что опоры вала обладают упругостью. Условия равновесия данной схемы определяется равенством:

m * ( y₀ + y + a) = c * y

c * y = c₀ * y₀

c₀ – коэффициент жесткости упругих опор. Для анализа необходимо решить эти уравнения относительно прогиба вала:

y = m * a * ω² / c – m * ω² * (1 + ĉ)

ĉ = c / c₀

Аналогично критическая частота вращения возникает, когда знаменатель этого выражения равен нулю:

c – m * ω² * (1 + ĉ) = 0

ωкр² = c / m * c₀ / c + c₀

Это выражение показывает, что применение упругих опор на роторе двигателя снижает его критическую скорость. Это позволяет снизить усилия на опорах и устранить критическую скорость ротора из области условия рабочих скоростей.

Вращение вала при наличии зазоров в опорах.

При угловой скорости вала меньше критической, радиус окружности, по которой движется центр масс диска складывается из величины прогиба – y, а, величины зазора – δ:

m = (y + a + δ) = c * y, следовательно, можно выразить величину прогиба вала:

y = m * (a + δ) * ω² / C – m * ω²

Если сравнить данную величину прогиба с величиной прогиба вала на жестких опорах, то в последнем случае величина прогиба увеличится на величину зазора δ. Знаменатель – без изменений. Это значит, что критическая скорость в данном случае с введением в зазор подшипников не меняется, если скорость вращения вала больше критической, то центр тяжести масс смещается вниз.

m = (y + a + δ) = c * y

y = m * (a - δ) * ω² / C – m * ω² - показывает, что изгиб вала возможен только при условии, если а > δ.

Основы проектирования подшипников в опорах двигателя.

В опорах современных двигателей в основном применяются подшипники качения, которые ограничены по надежности и ресурсу. Подшипники роторов работают при значительных нагрузках, при больших угловых скоростях и повышенных температурных режимах. Так радиальныо-осевые силы могут достигать на опорах, фиксирующих ротор от осевых перемещений, очень больших величин. Окружная скорость центров шариков или роликов в подшипниках может достигать 60 – 100 м/сек. Температура их нагрева составляет 200 – 250 ⁰С, а при скорости полета М = 2,5 нагрев шариков или роликов достигает 350 ⁰С и больше. Требуемая наработка подшипников от 500 до 10 тыс. часов и более. В зависимости от назначения самолета. В современных и перспективных двигателях температура газа перед турбиной постоянно увеличивается, увеличивается также и температура воздуха на выходе из компрессора, всвязи с увеличением П*, поэтому особенно актуально стоит вопрос о защите подшипниковых узлов от проникновения к ним теплового потока, передаваемого благодаря теплопроводности, например: от диска турбины на вал турбины и далее к подшипнику или теплоизлучение от диска, деталей КС, соплового аппарата, сопла или ФК. Для уменьшения теплового потока, поступающего от нагретых элементов двигателя, существует ряд конструктивных решений, например: корпус опор, покрывается теплоизоляцией, а для уменьшения теплопроводности от вала, подшипник устанавливается на вал через промежуточную втулку.

В авиационных двигателях применяются подшипники качения, которые несмотря не недостатки (большие радиальные размеры и большая масса) обладают в сравнении с подшипниками скольжения следующие преимуществами:

1. Способность работать на больших частотах вращения.

2. Малые размеры по длине.

3. Значительно меньшие коэффициенты трения, а меньшие трения требуют и меньшее количество масла для охлаждения.

Для роторов авиационных двигателей используются шариковые и роликовые подшипники, средних мелких и сверхмелких серий. Класс точности 4, 5. Для опор компрессора и турбины применяются в основном шариковые и роликовые подшипники с точенными неразъемными сепараторами. Конструкция подшипника представляет собой: внутренний корпус, в который подшипник устанавливается на вал, наружный корпус, между ними в специальных канавках находится тела качения, которые делятся точеными сепараторами по окружности, чтобы исключить трения непосредственно между телами качения. Существуют подшипники различной конструкции. Наиболее распространенные – подшипники с неразъемными корпусами. В авиационных двигателях применяются подшипники, которые имеют разъемный корпус: наружный или внутренний. Разъем позволяет увеличить число шариков, углубить беговые дорожки и использовать неразъемный, более прочный сепаратор. Увеличение числа шариков, уменьшает контактные напряжения в точках контакта, что позволяет воспринимать большую осевую силу по сравнению со стандартными подшипниками. Эти подшипники обладают повышенной грузоподъемностью и применяются при значительной осевой силе фиксирующих опор двигателя.

Подшипники, применяемые в двигателе сделаны таким образом, что конструкция подшипника дает возможность перемещения одного кольца по отношению к другому, при различных удлинениях ротора и корпуса двигателя, когда изменяются тепловой режим их работы. Эти подшипники обладают также меньшим гидравлическим сопротивлением выходу масла из подшипников. Благодаря этому рабочая температура обеспечивается при меньшем количестве подаваемого на охлаждение масла. В некоторых случаях для уменьшения диаметральных размеров и массы подшипника, внутреннее кольцо отсутствует. В этом случае ролики подшипника катаются по цементированной или азотированной поверхности вала. В этом случае поверхность вала выполняется с высокой точностью. Материал колец и тел качения выбирается в зависимости от рабочей температуры подшипника. При температуре 200 – 250 ⁰С, материал ШХ, 250 – 450 ⁰С – жаропрочная сталь ЭИ4З7. При высоких более высоких температурах – жаропрочные и жаростойкие сплавы. Сепараторы, которые работают при температурах ниже 120 ⁰С, изготовляются из термически обработанных алюминиевых сплавов, имеющих плохие антифрикционные свойства. Поэтому для уменьшения трения их трущиеся поверхности покрываются тонким слоем графита.