Нагрузки, действующие на входные устройства авиационных ГТД

Введение

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, необходимознать 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.

Нагрузки, действующие на входные устройства авиационных ГТД

Входное устройство (ВУ) в ТРД представляет собой либо часть конструкции самого двигателя, либо образуется сочетанием частей двигателя и летательного аппарата. Входное устройство предназначено для обеспечения подвода необходимого количества воздуха к компрессору на всех режимах полета и осуществления (совместно с компрессором) процесса сжатия воздуха. Входное устройство состоит из воздухозаборника и подводящего канала [3].

При проектировании воздухозаборников стараются обеспечить высокое значение коэффициента восстановления полного давления, получить как можно меньшее значение коэффициента лобового сопротивления, обеспечить устойчивую работу во всем диапазоне режимов полета и работы двигателя, а также создать равномерный поток перед компрессором [3].

В зависимости от уровня максимальной скорости полета ЛА воздухозаборники разделяются на дозвуковые, трансзвуковые и сверхзвуковые. На дозвуковые и трансзвуковые ВУ действуют незначительные газовые силы, на сверхзвуковые ВУ, у которых при больших сверхзвуковых скоростях полета степень сжатия воздуха превышает степень сжатия в компрессоре, действуют достаточно большие нагрузки [2]. Типичная схема воздухозаборника приведена на рис. 1.

Рис.1. Схема действующих газовых сил на воздухозаборник

Необходимые для работы экспертной системы данные (геометрия, параметры потока) определяются при помощи термогазодинамического расчёта в системе имитационного моделирования (СИМ) Dvigw [4] на наиболее тяжёлом для конструкции режиме.

В качестве основной нагрузки на элементы ВУ будем рассматривать осевое усилие от газового потока. Осевое усилие определяется как сумма статических усилий (статических давлений воздуха на поверхности проточной части) и динамических усилий (изменение количества движения воздуха). Для экспертной оценки напряжённого состояния элементов ВУ осевым усилием от давления воздуха на внешнюю поверхность входного устройства пренебрегаем, с учетом этого, осевая нагрузка на ВУ будет определяться:

_{, (1)}

где , – статические давления в потоке перед ВУ и за ВУ; , – площади на входе и выходе ВУ; m – расход воздуха; , – скорость воздуха во входном и выходном сечениях ВУ.

При полете ЛА возможно обледенение элементов ВУ, поэтому на них могут быть нанесены гидрофобные покрытия или в конструкции ВУ применяют различные противообледенительные системы. Также в ВУвозможно попадание различных посторонних предметов, поэтому на детали ВУ наносят абразивные покрытия, которые служат для упрочнения поверхностного слоя. Для снижения радиолокационной заметности в передней полусфере ЛА на элементы ВУ могут наноситься различные радиопоглощающие (РПГ) покрытия. При работе сверхвуковых ВУ могут быть режимы с высокими рабочими температурами (до 500˚С), при этом перепад давлений, действующий на обечайку ВУ может достигать достаточно больших величин, что также необходимо учитывать при выборе материалов и покрытий основных элементов ВУ.2 Нагрузки, действующие на элементы компрессора авиационного ГТД

Основными элементами компрессора являются корпус, ротор. Обычно ротор компрессора состоит из нескольких рядов профилированных лопаток, закреплённых на барабане или на отдельных дисках, соединённых между собой. Между лопатками ротора на корпусе закрепляются неподвижные лопатки.

Компрессор ГТД служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия в отдельных его ступенях, который сопровождается ростом температуры. Для защиты лопаток и других деталей компрессора от пылевой эрозии, от солевой коррозии при высоких температурах (характерных для последних ступеней высоконагруженных компрессоров ГТД) используют различные коррозионностойкие ионно-плазменные покрытия и упрочняющие покрытия (например, из карбида хрома (Cr₃C₂) и нитрида циркония (ZrN)). При создании ГТД V-го поколения для обеспечения ресурса деталей компрессора актуальной задачей является создание упрочняющих корозионно- и эрозионностойких покрытий, работоспособных во всеклиматических условиях. Также, для лопаток последних ступеней компрессора ГТД V-го поколения, характерны высокие значения температур газа (от 600 до 800˚С), что необходимо учитывать при выборе материалов и покрытий основных элементов компрессора.

Поиск по сайту: