Прочность корпусов и подвески двигателя
Информация - Транспорт, логистика
Другие материалы по предмету Транспорт, логистика
ерционных сил массы самих корпусов и в виде инерционных сил и гироскопического момента вращающегося ротора, которые передаются на корпуса через опоры роторов. Инерционная нагрузка определяется перегрузками и угловыми скоростями, которые зависят от назначения летательного аппарата и определяются нормативными требованиями для различных полетных случаев. Реакции в узлах подвески 4 представляют силы, уравновешивающие силу тяги двигателя, вес и инерционные нагрузки.
Помимо газовых и инерционных нагрузок статор двигателя находится под воздействием неравномерных и нестационарных тепловых полей, которые приводят к возникновению температурных деформаций корпусов. Температурные напряжения возникают вследствие неравномерного нагрева в радиальном направлении в корпусах камеры сгорания, стойках и тягах между корпусами. Значительные температурные напряжения могут возникнуть в корпусах из-за различия коэффициентов линейного расширения сопрягаемых узлов. В горячей части двигателя температурные напряжения могут возникнуть в корпусах вблизи фланцев, имеющих значительную высоту в радиальном направлении, и в самих фланцах. Здесь возникает радиальный градиент температур, потому что внутренняя поверхность фланца нагревается горячим газом, а наружная охлаждается воздухом подкапотного пространства.
Под действием перечисленных нагрузок корпусные детали двигателя могут испытывать деформации осесимметричные (см. Рис. 3, а), кососимметричные (изгибные) (см. Рис. 3, б), овализацию (см. Рис. 3, в). Следует отметить, что кососимметричная деформация, как и овализация, сопровождается изменением формы поперечного сечения оболочки. Это приводит к появлению окружной неравномерности зазора между ротором и корпусом. Последствиями овализации может быть заклинивание ротора, повышение вибраций, повышение потерь.
Среди всех деталей силовой схемы двигателя выделяют группу так называемых основных деталей, поломка которых может приводить к опасным последствиям - нелокализованному разрушению, нелокализованному пожару или неуправляемости двигателя. В силовой схеме корпуса к числу таких деталей относятся корпуса и элементы подвески двигателя.
Для обеспечения нормальной работы двигателя к силовым корпусам предъявляются следующие требования.
- В штатных условиях работы силовые корпуса должны обладать достаточной жесткостью, т.е. иметь минимальные упругие деформации во время работы. Для большинства силовых корпусов требование достаточной жесткости является основным критерием проектирования.
- Высоконагруженные силовые корпуса должны иметь достаточную прочность, как длительную статическую, так и циклическую. Это требование особенно актуально для наружного корпуса камеры сгорания.
- Конструкция корпусов и подвески двигателя должна обеспечивать свободу тепловых деформаций элементов силовой схемы для предотвращения температурных напряжений.
- В соединениях корпусов и в элементах опор роторов необходимо обеспечить сохранение в эксплуатационных условиях посадок сопрягаемых деталей во всех условиях полета.
а) б) в)
Рисунок 3 Деформации корпусов
Корпуса авиационных ГТД должны иметь минимально возможную массу.
Помимо перечисленных выше требований, которым должны удовлетворять корпуса в штатных условиях работы двигателя, существует особое требование локализации корпусами фрагментов роторов в маловероятной, но потенциально возможной нештатной ситуации разрушения ротора или его части.
Таким образом, проектирование корпусов по критериям прочности сводится к анализу жесткости, статической прочности, циклического ресурса, а также к проверке непробиваемости корпусов.
Как правило, анализ прочности силовых корпусов проводится отдельно для каждого элемента статора, выделяемого из системы корпусов по фланцевым соединениям. При этом само фланцевое соединение оценивается по критерию нераскрытия стыка. В качестве примера выделения элемента статора для прочностного анализа на Рис. 4, а показана расчетная схема наружного корпуса камеры сгорания. Он нагружен внутренним давлением p, а также приложенных в крайних сечениях силами, со стороны соседних корпусов компрессора и турбины. При расчете на прочность корпус камеры сгорания может быть представлен двумя оболочками: конической и цилиндрической (см. Рис. 4, б).
а)
б)
Рисунок 4 Схема нагружения наружного корпуса камеры сгорания
Каждая из оболочек рассчитывается отдельно по известным в теории оболочек соотношениям. Возникающие на стыке оболочек силы Q и N и момент M определяются из условия совместности деформаций.
Конструктивные элементы статора для расчета напряжений схематизируются в виде различного типа оболочек постоянной или переменной толщины, пластин, колец и стержней.
.Расчет напряжений в корпусных деталях двигателя на основе модели осесимметричных оболочек
В сопротивлении материалов принято называть оболочкой тело, одно из измерений которого (толщина) значительно меньше двух других. Это позволяет при определении напряженного состояния пренебречь частью компонент тензора напряжений.
Корпусные детали ГТД обычно представляют собой оболочки вращения. В случае, когда нагрузка на такую оболочку осесимметрична, напряженно-деформированное состояние также осесимметрично (см. Рис. 5). Можно пренебречь частью компонент тензора напряжений и считать, что напряженное со