1.4 Определение осевых газовых сил

Осевое усилие, возникающее на элементах конструкций двигателей, определяется как сумма статических давлений воздуха или газа на поверхности проточной части элементов и газодинамической силы, вызванной изменением количества движения воздуха или газа при прохождении его через рассматриваемый элемент конструкции. Рассмотрим определение осевых сил на примерах отдельных частей двигателя. За положительное направление сил принимается направление движения воздуха в проточной части двигателя, т. е. от входа в сторону реактивного сопла. Основные данные и параметры рабочих процессов авиационных ГТД представлены в приложении 1.

1.4.1 Осевой компрессор

Первоначально определяются осевые силы, действующие на каждое рабочее колесо ротора и направляющий аппарат статора.

Осевая газодинамическая сила, возникающая на лопатках рабочего колеса, может быть подсчитана по формуле

Рис. 1.1. К расчету осевой газодинамической силы лопаток компрессора и турбины

Осевая газодинамическая сила, действующая на все рабочее колесо ступени, определяется как сумма равнодействующих статических давлений на боковые поверхности рабочего колеса и осевой силы лопаток (рис. 1.2):

где — статические давления, действующие на боковые поверхности колеса, равные соответствующим давлениям в корневом сечении лопаток; — статические давления внутри барабана, справа и слева от колеса. Полости обычно сообщаются, поэтому указанные давления одинаковы, тем не менее разность сил все равно имеет место из-за различия величин площадей, на которые действуют давления; F_lH, F_lBH, F_2H, F_2BH — площади открытых боковых поверхностей диска, определяемые расположением уплотнений и размерами барабана. Эти площади легко подсчитываются по ограничивающим их окружностям:

(1.10)

Осевое усилие, действующее на лопатки направляющего ап­парата ступени, подсчитывается также по формуле (1.7), по параметрам воздуха на среднем радиусе входа и выхода лопаток.

Полное осевое усилие, действующее на направляющий аппарат ступени, складывается из суммы (рис. 1.3)

где второе и третье слагаемые представляют собой силы статиче­ских давлений на боковые поверхности нелопаточной части на­правляющего аппарата.

Рис.1.2. К расчету осевой силы рабочего колеса компрессора

Осевые силы на рабочем колесе и направляющем аппарате компрессора действуют в сторону входа. При расчете по приведенным формулам они имеют отрицательный знак и достигают сотен килоньютонов. Их определение необходимо для расчета на прочность и деформацию элементов конструкций ротора и корпуса осевого компрессора.

Рис. 1.3. К расчету осевой силы направляющего аппарата компрессора

Осевые силы создают растяжение барабана ротора и оболочки корпуса. Усилие растяжения возрастает от первой ступени к последней, так как происходит сложение осевых сил ступеней. Наибольшее усилие растяжения создается за последней ступенью компрессора. Такое распределение сил необходимо учитывать при расчете соединений частей ротора и корпуса.

Общее осевое усилие, возникающее на роторе компрессора, равно сумме осевых сил от всех ступеней. Для уменьшения этой осевой силы за задней торцовой поверхностью ротора создается думисная полость З с низким, почти атмосферным, давлением , а перед передней торцовой поверхностью ротора — думисная полость П, в которую подается воздух повышенного давления от промежуточных ступеней (рис. 1.4). В результате возникает разгружающая положительная сила как разность осевых сил, действующих на торцы ротора. Расчет этой силы производится по заданным величинам давлений и размерам площадей:

Рис. 1.4. Схема действия осевых сил на торцевые поверхности ротора компрессора