Вопрос №29. Основные нагрузки, действующие на узлы гтд. Силы инерции, действующие на узлы гтд.
Газотурбинные двигатели (ГТД) за последние семьдесят лет своего развития стали основным источником энергии, как для летательных аппаратов (ЛА), так и для наземных энергетических установок и газоперекачивающих агрегатов. Газотурбинные двигатели – классический пример сложнейшего устройства, детали которого работают длительное время в условиях предельно высоких температур и нагрузок. Вместе с тем эти двигатели – образец высочайшей надежности, которая обеспечивается эффективными конструкторскими решениями, сложными газодинамическими, тепловыми и прочностными расчетами [1].
Для разработки экспертной системы, предназначенной для принятия решения по выбору материалов, покрытий и других видов подготовки поверхности, необходимо знать и учитывать условия их работы и основные нагрузки, действующие на элементы авиационных двигателей, что позволяет правильно оценивать их влияние на прочностные характеристики узлов двигателя.
Спектр нагрузок, действующих на элементы ГТД, чрезвычайно широк, поэтому для последующего анализа ограничимся основными видами нагрузок, такими как:
газовые нагрузки, которые возникают как результат воздействия газового потока на элементы проточной части двигателя и газостатические нагрузки;
массовые нагрузки, к которым относятся силы инерции, возникающие в деталях при вращении ротора;
температурные нагрузки, возникающие из-за неравномерного нагрева деталей, различия коэффициентов линейного расширения их материалов, при стеснении температурных деформаций.
Силы и моменты, действующие на узлы и детали двигателя, по характеру деформации классифицируются следующим образом [2]:
растягивающие и сжимающие силы – возникают вследствие давления газов на детали двигателя и от действия центробежных сил вращающихся масс;
изгибающие моменты – возникают от газовых сил, масс узлов и деталей, а также от инерционных сил;
крутящие моменты – возникают в роторах от действия воздуха и газов на рабочие лопатки компрессора и турбины и в корпусных деталях от действия воздуха и газов на направляющие лопатки компрессора и сопловые лопатки турбины.
Силы
инерции
возникают при изменении величины вектора
осевой скорости (при разгоне и торможении
самолета) и направления вектора скорости
(при изменении траектории полета). При
разгоне или торможении (то есть при
изменении величины вектора осевой
скорости) появляется осевая сила инерции
,
которая передается с ротора на корпус
двигателя через радиально-упорный
подшипник.
При изменении траектории полета возникает центробежная сила инерции
,
где
– радиус кривизны траектории самолета;
– угловая скорость эволюции самолета;
– коэффициент
перегрузки.
Коэффициент
эксплуатационной перегрузки устанавливается
нормами прочности для разных типов
самолетов и для различных случаев
полета, например, при посадке пассажирского
самолета
=3
ед. пер., при эволюции в вертикальной
плоскости самолета-истребителя
=8…9
ед. пер.
4. Гироскопический момент возникает при отклонении траектории полета самолета от прямолинейной и вызывает изгиб ротора:
,
где
– массовый момент инерции ротора
относительно оси вращения;
– угловая скорость вращения ротора.
В
худшем случае
,
тогда
и
.
Гироскопический момент дополнительно нагружает подшипники опор ротора и через них передается на корпус, вызывая в роторе и в корпусе напряжения изгиба. Для его уменьшения целесообразно увеличить расстояние между опорами ротора.
5.
Крутящий момент
передается ротору компрессора от турбины
и вызывает в валу или барабане напряжения
кручения.