Лекции по курсу «Основы конструирования АД и ЭУ»

Кафедра «Авиационные двигатели» РГАТА

Обеспечение работоспособности и прочностной надежности ГТД и его деталей; эксплуатационные режимы, действующие нагрузки.

Расчет на прочность рабочих лопаток от действия центробежных и газовых сил, Разгрузка пера рабочей лопатки моментами центробежных сил от изгибающих моментов газовых сил. Коэффициент разгрузки. Суммарные напряжения, коэффициент запаса прочности.

Лекция №10

1. Задачи расчета на статическую прочность элементов компрессоров и газовых турбин

Статическая напряженность деталей компрессоров и газовых турбин вызывается центробежными и газодинамическими силами, а также градиентом температур, имеющим место при работе газотурбинного двигателя.

Задача оценки статической прочности деталей ГТД может быть решена проверочным или проектировочным расчетом.

При проверочном расчете определяются напряжения от центробежных и газодинамических сил и от перепадов температур в детали с заданной геометрией. Полученные напряжения сравниваются с предельно допустимыми, определяются запасы прочности, характеризующие работоспособность детали, ее надежность и ресурс при заданном способе эксплуатации.

При проектировочном расчете по выбранным из условий заданной надежности запасам прочности определяются геометрические характеристики детали, то есть решается задача, обратная проверочному расчету.

При всех видах расчетов необходимо стремиться, чтобы деталь была равнопрочной и имела минимально допустимые по условиям надежности и ресурса коэффициенты запаса прочности. Это значит, что в детали будет отсутствовать «лишний» материал, и масса ее будет наименьшей.

2. Расчет статической прочности рабочих лопаток компрессоров и турбин

Так как геометрия пера лопатки компрессора или турбины задана из газодинамического расчета двигателя (диаметры втулки и периферии, длина пера лопатки) и профилирования (хорда, толщина, прогиб, угол установки профиля), то расчет статической прочности выполняется в варианте проверочного расчета. Для выполнения расчета конструктор выбирает конструкционный материал лопатки, рассчитывает действующие нагрузки и определяет режимы работы двигателя, на которых необходимо выполнить проверку работоспособности проектируемой лопатки.

2.1. Расчетные для прочности режимы работы двигателя

Напряжения в рабочих лопатках компрессоров и турбин определяются для эксплуатационных режимов, являющихся наиболее нагруженными с точки зрения прочности. Величины сил, возникающих в рабочей лопатке, зависят от частоты вращения ротора, скорости и высоты полета летательного аппарата и от действующей на лопатку температуры воздуха или газа.

К основным расчетным режимам при оценке прочности рабочих лопаток компрессоров и турбин относятся:

1. Максимальный взлетный (максимальный стендовый) режим при . В этом случае максимального значения достигают растягивающая центробежная сила и изгибающий момент от центробежной силы ( ). Газодинамические нагрузки и имеют некоторые средние значения.

2. Режим максимального расхода воздуха через двигатель (полет на минимальной высоте с максимальной скоростью при температуре воздуха на входе в двигатель – 60⁰С). В этом случае моменты от газодинамических и центробежных сил имеют максимальные значения ( , ).

3. Режим наименьшего расхода воздуха через двигатель (высотный режим – полет на максимальной высоте с минимально возможной эволютивной скоростью). На этом режиме центробежная сила и момент от центробежной силы будут максимальными ( ), а газовые силы и моменты от газовых сил – минимальными ( ). Режим является опасным потому, что ослабляется компенсация изгибающих моментов от центробежных сил моментами от газодинамических сил (может наступить так называемая перекомпенсация).

4

. Режим наибольшей температуры воздуха за компрессором (при расчете лопаток компрессора) или газов перед турбиной (при расчете турбинных лопаток). На этом режиме пределы длительной прочности материалов лопаток имеют наименьшие значения.