Лекция № 4. Основные нагрузки, действующие на элементы ГТД

1.

Лекция № 4
Основные нагрузки,
действующие на элементы ГТД

2.

Классификация нагрузок, действующих
на элементы ГТД по направлению действия:
осевые - направлены по оси двигателя или
параллельно ей;
радиальные - перпендикулярны к оси двигателя;
окружные - действуют в плоскости вращения.
r
Pr
Pa
a
Pокр

3.

Осевые, радиальные и окружные силы вызывают появление крутящих и
изгибающих моментов в различных плоскостях и приводят к появлению в
деталях ГТД деформаций:
растяжения;
сжатия;
изгиба;
кручения, которые обуславливают возникновение соответствующих
напряжений, а также напряжений среза и смятия.
Pсж
Pр
Pизг
Мкр
Pсж
Pр
а)
б)
в)
г)

4.

Классификация нагрузок:
внутренние, которые уравновешиваются в пределах
конструкции двигателя;
свободные, которые передаются на узлы подвески и
крепления двигателя;
статические (стационарные ), которые не зависят от
времени (не изменяются в течение времени);
динамические (нестационарные), величина,
направление или точка приложения силы которых
изменяется по времени.

5.

Группы нагрузок:
1. Газовые нагрузки.
2. Инерционные нагрузки.
3. Температурные нагрузки.
4. Нагрузки от механического взаимодействия
элементов: силы трения и контактные усилия в
подшипниках, зубчатых передачах, шлицевых
соединениях и других элементах.

6.

1. Газовые нагрузки
Газовые нагрузки проявляются в результате
действия статического и динамического
давления газового потока на элементы двигателя.
Если канала, по которому движется поток
изменяется, возникает осевая сила, которая
передается на соседние элементы.

7.

Сила от статического воздействия давления
потока определяется как произведение перепада
статического давления газового потока на площадь.
р2
р1
Р ст
F
Р ст = ( р2 - р1 ) F

8.

Сила
от динамического воздействия давления
потока определяется как произведение расхода
рабочего тела на разность скоростей
между
сечениями.
2
1
Gв
Gв
а
С1а, р1, F1,
С2а, р2, F2,
1
2
Рд = Gв (С2а- С1а)

9.

Определение осевой составляющей газовых сил
c помощью уравнения количества движения
2
1
Gв
Gв
а
С1а, р1, F1,
С2а, р2, F2,
1
2
Ра = Gв (С2а- С1а) + р2 F2 – р1 F1
реактивная
составляющая
газовой силы
активная
составляющая
газовой силы

10.

Определение газовых сил,
действующих на ротор компрессора ГТД
Pа ркi
1
2
D2 н
D1н
P2
P1
а
D1
вт
D2 вт
D2 вт
d
2
1
n
Pa Pa . pк P2 P1 GB (C2 a C1a ) p2 F2 p1 F1 p зр п Fзр п pп р пFп р п
i
i 1
i
i
i
i
i

11.

Определение газовых сил,
действующих на камеру сгорания ГТД
p2
p1
GВ
C1a
C2 a
GГ
DЗ
DП
dЗ
dП
Pa GB C1a GГ C2 a p1
4
DП2 d П2 П p2
4
DЗ2 d З2

12.

Определение газовых сил,
действующих на ротор турбины ГТД
Pа ркi
1
2
D1н
D2 н
P1
d
P2
а
D1
вт
D2 вт
2
1
n
Pa Pa . pк P2 P1 GB (C2 a C1a ) p2 F2 p1 F1 p зр п Fзр п pп р пFп р п
i
i 1
i
i
i
i
i

13.

2. Инерционные нагрузки
При работе ГТД основной инерционной силой,
действующей на ротор является центробежная сила - Pц б.
Центробежная сила, действующая на
рабочую
лопатку равна:
Pцбл mл rц 2 ,
где; mл — масса лопатки; rц — расстояние от оси
вращения до центра масс лопатки, - угловая скорость
центра масс лопатки.
Неуравновешенная сила ротора:
Pн 2 ,
где
5 50г см - дисбаланс ротора.

14.

3. Нагрузки, обусловленные температурными
деформациями
l
При нагреве стержня на величину T его температурное удлинение l T , а
относительная температурная деформация T T , где
- коэффициент линейного
расширения материала.
Температурные напряжения сжатия E E T , где E — модуль упругости
материала стержня, который зависит от материала стержня и не зависит от площади его
поперечного сечения.
Усилие действующего со стороны стержня на корпус, увеличивается с ростом площади
P T F
T
T
T

15.

4. Динамические нагрузки
Особенностью инерционных нагрузок является их зависимость от ускорения.
Особое место занимают силы, возникающие при вращении ротора двигателя.
Центробежные силы, приложенные, например, к рабочей лопатке или диску по
отношению к этим элементам являются стационарными при работе двигателя на
установившемся режиме.
Векторы же неуравновешенных центробежных сил и моментов в первом приближении
можно считать неизменными по модулю, но их направление меняется с частотой вращения
ротора, поэтому по отношению к опорам и корпусу двигателя они являются
динамическими. Эти силы и моменты, как указывалось выше, вызывают вибрацию
двигателя.
К динамическим нагрузкам, кроме неуравновешенных центробежных сил и моментов,
относятся также переменные силы, возникающие при работе любой лопаточной машины.
Действительно, конечное число лопаток вызывает пульсацию давления и скорости,
приводящие к возникновению переменных аэро- и газодинамических сил, возбуждающих
колебания лопаток, дисков, других элементов и всего двигателя в целом. Очевидно, что
причиной возбуждения колебаний будет любая окружная и радиальная неравномерность
газового потока.
В камере сгорания она может возникнуть из-за особенностей процесса горения
(например, конечного числа зон горения или особенностей процесса смешения продуктов
сгорания и смесительного воздуха.

16.

Более подробно вопросы возникновения динамических сил будут рассмотрены при
изучении колебаний элементов ГТД.
Нестационарными являются нагрузки на переходных режимах работы двигателя: при
запуске, приемистости, сбросе газа, выключении и т. д. Изменение во времени газовых сил
обычно не приводит к опасным последствиям.
Нестационарность температурных полей приводит к возникновению значительных
температурных напряжений, определяющих ресурсные свойства конструкции. Так,
например, перепад температур между кромкой лопатки и ее средней частью при запуске в
5... 10 раз больше перепада на установившихся режимах и возникающие при этом
напряжения могут вызвать коробление лопаток.
Термоциклические нагружения при последовательных запуске-выключении двигателя
приводят к появлению термоусталостных трещин.

17.

Контрольные вопросы по материалу лекции № 4:
1. Как классифицируются по направлению силы, действующие при работе ГТД на его
узлы и детали.
2. Какие моменты вызывают силы, действующие при работе ГТД на его узлы и детали.
3. Какие напряжения вызывают силы, действующие при работе ГТД на его узлы и детали.
4. Какие нагрузки называют внутренними, а какие свободными.
5. Какие нагрузки называю стационарными, а какие нестационарными.
6. Как условно разделяют на группы нагрузки по природе появления.
7. Газовые нагрузки, действующие на элементы ГТД.
8. Реактивная и активная составляющие газовой силы.
9. Газовые нагрузки, действующие на компрессор ГТД.
10. Газовые нагрузки, действующие на камеру сгорания ГТД.
11. Газовые нагрузки, действующие на турбину ГТД.
12. Инерционные нагрузки, действующие на элементы ГТД.
13. Почему появляются неуравновешенные силы в элементах ГТД.
14. Нагрузки, обусловленные температурными деформациями.
15. Динамические нагрузки, действующие на элементы ГТД.