Камера сгорания

Осевая газодинамическая сила, действующая на весь узел камеры сгорания в целом, может быть рассчитана по формуле:

, (1.14)

где: — статические давления и осевые скорости газа на входе и выходе камеры сгорания (рис. 1.6);

Рис. 1.6. К расчету осевой силы камеры сгорания

; .

Осевая сила камеры сгорания действует в сторону компрессора и достигает величин, превышающих величину тяги двигателя.

Газовая турбина

Осевое усилие, действующее на рабочее колесо турбины и сопловой аппарат, определяется так же, как и для компрессора. Для определения осевого усилия на лопатках рабочего колеса турбины Р_ал может быть использованы формулы (1.2) и (1.4), в которые подставляются параметры газа на входе и выходе решётки рабочего колеса или соплового аппарата ступени турбины и размеры, при­сущие турбине (рис.1.7)

Рис.1.7.Расчетная схема

газовой турбины

Полное осевое усилие на рабо­чем колесе зависит от расположе­ния на его боковых поверхностях уплотнений и статических давле­ний на образованных ими кольце­вых площадях. Например, для ра­бочего колеса, изображенного на рис. 1.7., осевое усилие представляется следующей суммой:

, (1.15)

где F_i - кольцевые площади определяются расположением уплотнений и размерами рабочего колеса; P_i — давление, действующие на соответствующие площади и их значения определяются, параметрами ступени и каналами для воздуха, связывающими боковые полости диска с определенными зонами давления компрессора, камеры сгорания или проточной части турбины.

Осевая сила диска турбины положительна, т. е. направлена в сторону сопла. Вал турбины всегда связан с валом компрессора специальным осевым соединением. Благодаря этому осевая сила компрессора в значительной степени уравновешивается осевой силой турбины.

Небольшая разность этих сил воспринимается осевым подшипником ротора. Для того чтобы эта разность не превышала допустимую силу для упорного шарикоподшипника, давления на боковые поверхности диска турбины и ротора комп­рессора, а также расположение уплотнений на дисках подбира­ются необходимой величины и месторасположения. На практике эта сила уточняется экспериментально.

Если ротор турбины состоит из нескольких дисков, то подсчет осевой силы такого ротора производится тем же методом, который был рассмотрен для компрессоров.

Реактивное сопло

За турбиной, в реактивном сопле, в большин­стве случаев устанавливается центральное тело, связанное с внешней оболочкой сопла стойками или стержнями (рис. 1.8.). Диаметр центрального тела в сечении I-I равен диаметру, окружности корневых сечений лопаток колеса турбины.

Рис. 1.8. Реактивное сопло

Если между ко­лесом турбины и центральным телом на диаметре расположено уплотнение, а внутрь конуса центрального тела подается некото­рое разгрузочное давление , то осевое усилие реактивного сопла подсчитывается по формуле:

, (1.16)

где; — статическое давление в реактивной струе в сечении I—I и на срезе сопла — в сечении II—II; — атмосферное давление; — площади проточной части сопла и торцевой поверх­ности конуса, определяемые диаметрами и , — площадь выходного отверстия сопла

При полном расширении реактивной струи . Если кольцевое уплотнение на окружности отсутствует, то .

Осевая сила реактивного сопла обычно направлена в сторону движения газа за счет более высоких статических давлений в се­чении I—I.

Значение алгебраической суммы осевых газодинамических и газоста­тических сил, приложенных к узлам и деталям двигателя численно равно тяге, развиваемой двигателем. На рис. 1.9 показано соотношение величин осевых сил, действующих на отдельные узлы двигателя.

­

Рис. 1.9. Суммарные осевые силы в ТРД

Осевая сила, действующая на ротор компрессора, почти в три раза превышает тягу двигателя Усилие на диске турбины направлено в сторону сопла и боле чем в два с половиной раза превышает тягу. Осевые силы, действующие на элементы камеры сгорания и сопловые аппараты турбины, превышают тягу в полтора раза.

Рассмотренный пример распределения осевых сил показывает, что детали ГТД находятся под воздействием больших внутренних газодинамических сил. В процессе проектирования двигателя необходимо весьма тщательно определять эти силы для оценки прочности и надежности конструкции его деталей и достижения минимальной массы двигателя.

1.2. МОМЕНТЫ КРУЧЕНИЯ ОТ ГАЗОВЫХ СИЛ В ЭЛЕМЕНТАХ ГТД

При движении газа по проточной части ГТД на рабочих, направляющих и сопловых лопатках компрессоров и турбин возникают моменты кручения, которые могут быть определены из треугольников скоростей построенных для среднего радиуса лопаток ступени (рис.1.10).

Рис.1.10. Треугольники скоростей в рабочем колесе и

направляющем аппарате компрессора

Крутящий момент для рабочего колеса и направляющего аппарата определяется:

, (1.17)

где - массовый расход газа через ступень; – средний радиус лопаток на входе, выходе из рабочего колеса и выходе направляющего аппарата; – окружные скорости на входе, выходе рабочего колеса и направляющего аппарата.

Моменты М_р.к. и М_н.а. равны разности моментов количества движения воздуха относительно оси вращения ротора.

Для рабочего колеса компрессора момент имеет положительный знак, что означает подвод энергии и увеличение кинетической энергии воздуха . Направление момента противоположно направлению вращения. Для направляющего аппарата компрессора момент отрицателен, так как кинетическая энергия уменьшается за счет перехода в энергию давления и действует по направлению вращения ротора.

Крутящие моменты ротора и статора компрессора суммируются по ступеням от входа к выходу и взаимно уравновешены.

(1.19)

Моменты на рабочем колесе и сопловом аппарате рассчитываются по формуле (1.17), в которой окружные составляющие абсолютной скорости на входе , выходе рабочего колеса и выходе соплового аппарата определяются из соответствующих треугольников скоростей газодинамического расчета.

Момент на рабочем колесе газовой турбины действует в сторону вращения, а на сопловом аппарате против направления вращения (рис.1.11).

Рис. 1.11. Моменты, действующие на ротор и корпусы турбины и компрессора

В ТРД моменты роторов компрессора и турбины взаимно уравновешены.

(1.20)

Моменты на корпусе компрессора и корпусе турбины взаимно уравновешены только при осевом входе (без закрутки) газового потока в реактивное сопло. При закрученном потоке на входе в реактивное сопло на его стойках возникает реактивный момент , поэтому

или , (1.21)

таким образом, в ТРД момент, действующий на корпус компрессора равен моменту, действующему на корпус турбины и стойки реактивного сопла, и направлен в противоположную сторону.

Так как корпус компрессора и турбины жестко соединены между собой, то в них возникают напряжения кручения, а в соединительных болтах - напряжение среза. Избыточный момент на корпусе компрессора от закрутки потока в реактивном сопле будет восприниматься узлами крепления двигателя к самолету. В турбовинтовых двигателях (ТВД), кроме рассмотренных моментов возникает дополнительный момент , передаваемый на корпус редуктора через неподвижно закрепленные в них шестерни или оси.

В ТВД момент на рабочих колесах турбины превышает момент на рабочем колесе компрессора на величину момента, передаваемого на входной вал редуктора .

(1.22)

Соответственно и момент, действующий на корпусе турбины , превышает момент, действующий на корпус компрессора на величину .

(1.23)

Момент результирующий передаваемый на узлы крепления двигателя к самолету равен сумме моментов, действующих на элементы его силовой схемы.

, (1.24)

где – момент корпуса редуктора.

Если принять, что мало и нет редуктора , то

действие, которого противоположно направлению вращения винта.

Рассмотрим ТВД с планетарным редуктором (рис.1.12).

Не учитывая потерь в редукторе можно записать

N_p = N_в и ,

откуда , (1.25)

где - угловые скорости вращения ротора и винта;

- передаточное число редуктора для ТВД = 5 ……15 для рассматриваемого планетарного редуктора

(1.26)

Рис. 1.12. Схемы редукторов

а — для одного винта; б — для двух винтов

Момент, передаваемый на неподвижную шестерню, связанную с корпусом редуктора равен:

, (1.27)

где – число сателлитов, – усилие, действующее на зуб сателлита.

Для планетарного редуктора:

(1.28)

Следовательно, для однонаправленного вращения ротора и винта момент на корпусе редуктора определится:

(1.29)

Результирующий момент, передаваемый на узлы крепления двигателя равен:

(1.30)

Таким образом, и в данном случае на узлах крепления двигателя передается момент равный моменту винта, но противоположного направления.

При разном направлении вращения винта и ротора результирующий момент определяется:

(1.31)

То есть на узлы крепления двигателя передается момент, равный моменту винта и направлен по направлению вращения ротора противоположно вращению винта.

В ТВД с редуктором на 2 соосных винта, вращающихся в противоположные стороны (рис. 1.12, б) при одинаковых моментах переднего и заднего винтов имеем:

(1.32)

Таким образом, в данной схеме крутящий момент на узлах крепления отсутствует.

При момент на узлах крепления определяется:

(1.33)