книги из ГПНТБ / Зальцман М.М. Прочность и колебания элементов конструкций ГТД конспект лекций

3) крутящие моменты, возникающие в валах и роторах от дей­ ствия газов на рабочие лопатки компрессоров и турбин, а в кор­ пусных деталях - от действия газов на направляющие и спрямляю­ щие лопатки компрессоров и сопловые лопатки турбин.

В зависимости от способа уравновешивания усилия можно разделить на две группы:

1. Усилия, которые взаимно уравновешиваются и не передают­ ся на подвески двигателя, называются внутренними. Примерами та­ ких усилий являются центробежные силы, действующие на лопатки и диски компрессоров и турбин, или крутящие моменты, действующие на валы роторов ТРД;

2. Усилия, которые не полностью замыкаются в пределах кор­ пусов двигателя, а передаются частично на узлы крепления двига­ теля к летательному аппарату, называют свободными.- Так,например, во входном устройстве, компрессоре, камере сгорания, турбине, реактивном сопле возникают усилия, которые передаются соседним узлам. Частично эти усилия замыкаются в системе двигателя, вы­ зывая растягивающие, изгибающие и скручивающие напряжения в стенках корпусов, а неуравновешенная равнодействующая этих сил через узлы крепления передается на самолет. В каждом двигателе можно выделить силовой корпус, который воспринимает как свобод­ ные, так и некоторые внутренние усилия, возникающие в элементах конструкции двигателя.

1.2. Усилия, возникающие в ГТД от действия газов

Усилия, возникающие в узлах и деталях ГТД от действия га­ за, можно условно разделить на две группы: усилия от действия статического давления и усилия от динамического воздействия газового потока. Такое деление позволяет получить простые рас­ четные формулы для определения усилий.

Действие статического давления газа вызывает появление напряжений сжатия, растяжения, изгиба и кручения в деталях.

Наибольший практический интерес представляет случай, ког­ да на деталь или узел двигателя с двух сторон действует разное по величине статическое давление. Площади, на которые действу-

5

итг эти давления, могут быть одинаковыми или неодинаковыми. В обоих случаях возникает неуровновешенная равнодействующая сила, которая передается на соседние узлы и детали. Как правило, это осевая сила, направленная вдоль оси двигателя.

Усилие, возникающее от динамического действия движущегося газа, представляет собой реактивную силу, которая равна по вели­ чине и противоположна по направлению силе, действующей со сторо­ ны стенок газового тракта на газ и вызывающей изменение скорости его движения. Величина этой силы определяется по изменению коли­ чества движения газа по формуле

РА=т(С2-С,)н , (І.І)

где /77 - расход газа в кг/сек;

Cf и С2 - скорости потока во входном и выходном сечениях канала в м/сек.

Направление этой силы противоположно вектору ускорения (знак зависит от выбранного направления осей координат). Обычно определяются составляющие динамических сил, действующие в осевом, окружном и радиальном направлениях. Соответствующие составляющие динамической силы определяются по изменению количества движения газа в данном направлении:

Здесь Са,Са и Сг - осевая, окружная и радиальная составляющие

вектора скорости.

В качестве примеров рассмотрим методику определения осевых сил от действия газов на некоторые основные узлы ГТД с осевым компрессором.

1.2.I. Осевая сила, действующая на входное устройство

Рассмотрим ту часть входного устройства, которая относится к двигателю (ряс.I.D. Усилие от давления воздуха на наружную

6

стенку входного устройства определяется по данным продувок в аэродинамической трубе (если стенка цилиндрическая, то осевая сила равна нулю). Вычислим усилие, действующее на внутренние стенки входного устройства, Из газодинамического расчета двигателя известны величины скоростей и давлений на входе и выходе рассматриваемого узла, т.е. в сечениях І-І и П-П. Известны также размеры канала в этих сечениях. Поло­ жительным направлением оси ос будем считать совпадающее с направлением потока, т.е.

слева направо.

Р= Р

где Рс статическая и динамическая составляющие. Статическая составляющая

здесь

t 4 г h. ( г г I

динамическая составляющая

Таким образом, при выбранном направлении оси

(1.2)

Осевая сила, действующая на внутренние стенки входного уст­ ройства, обычно направлена так, как это показано на рис.І.І.

1.2.2. Осевая сила, действующая на ротор осевого компрессора

Определение этой силы весьма важно при вычислении нагрузок, действующих на упорные подшипники и корпусные детали двигателя. Принципиальная схема осевого компрессора показана на' рис.1.2.

X

Рис.1.2. Схема осевого компрессора

Положительное направление оси х выбираем, как и в предыдущем примере, совпадающим с направлением потока. Осевая сила, дейст­ вующая на ротор осевого компрессора ß складывается из осевой силы, действующей на проточную часть ротора Рпр , и сил Рп и Р , действующих на переднюю и заднюю торцовые стенки ротора:

Осевая сила /j> является равнодействующей сил, действующих на проточные части каждой ступени

Р= У " Р

где z - число ступеней;

і - порядковый номер ступени.

Осевая сила,действующаяна проточную часть одной ступени, рав­ на сумме статического ж динамического усилий. Учитывая обозна­ чения, приведенные на рис.І.З, и указанное выше направление

оси X, будем иметь

Осевая сила, действующая на ротор осевого компрессора,весь­ ма велика: она может быть в 3-4 раза больше тяги двигателя. На­ правлена эта сила всегда противоположно направлению потока (см.

1.2.3. Осевая сила, действующая на корпусы камеры сгорания

В качестве примера рассмотрим схему кольцевой (чли трубча- то-кольцевой) камеры сгорания (рис. 1.4). Определим осевую силу, действующую на узел камеры сгорания со стороны газового потока.

Рис.1.4. Схема камеры сгорания

Величина и направление осевой силы, действующей на узел камеры сгорания, определяются, главный образом, динамической состав­ ляющей. Так как С > С , то осевая сила направлена против потока, как показано на рис. 1.4. По величине эта сила достаточ-

10