Анализ статической прочности рабочих лопаток компрессоров и турбин авиационных ГТД

При работе газотурбинного двигателя на рабочей лопатке его осевых компрессоров и газовых турбин действуют статические, динамические и температурные нагрузки.

К статическим нагрузкам относятся центробежные силы, приложенные к массе лопаток при вращении роторов и газовые силы, возникающие при обтекании газом профиля пера лопатки.

В общем случае центробежные силы вызывают в пере лопатки деформации растяжения, изгиба и кручения.

Газодинамические нагрузки приводят к изгибу и кручению. Неравномерный нагрев вызывает в пере лопатки температурные напряжения растяжения, сжатия и изгиба. Напряжения кручения от действий центробежных и газодинамических сил в слабозакрученных рабочих лопатках компрессоров и турбин невелики, поэтому ими обычно пренебрегают в предварительных расчетах.

Напряжения растяжения от действия центробежных сил являются наиболее существенными, особенно для лопаток турбин.

Напряжения изгиба обычно меньше напряжений растяжения, однако они могут оказаться опасными для длинных лопаток компрессоров, имеющих тонкий профиль.

Для уменьшения изгибающих напряжений в лопатке от действия газодинамических сил ее устанавливают так, чтобы возникающие изгибающие моменты от действия центробежных сил были противоположны по знаку моментам от газодинамических сил и, следовательно, компенсировали последние.

Расчет реальной лопатки на статическую прочность с учетом всех действующих нагрузок представляет собой очень сложную задачу, не имеющую в общем случае аналитического решения (но можно решить численно).

Для ее упрощения введем следующие допущения:

– будем полагать, что материал лопатки работает в зоне линейной упругости, следовательно, можно использовать принцип независимости действия нагрузок, т. е. считать, что напряжения в пере лопатки могут быть определены отдельно для каждого вида нагрузки, а затем алгебраически просуммированы;

– рассматриваем лопатку как консольную балку, жестко заделанную в ободе диска;

– температуру в каждом рассматриваемом сечении пера считаем одинаковой, т. е. температурные напряжения в сечениях отсутствуют;

– считаем лопатку жесткой, ее деформацией (отклонением от оси пера под действием силы моментов) пренебрегаем;

– считаем, что температура лопатки изменяется только по длине пера, при этом рост температуры приводит к снижению механических свойств материала.

Цель расчета пера лопатки на статическую прочность состоит в определении напряжений и запасов прочности в различных сечениях по длине пера лопатки.

Напряжения в рабочих лопатках компрессоров и турбин определяются для эксплуатационных режимов, обеспечивающих наибольшее нагружение. Величина нагрузок на рабочую лопатку зависит от частоты вращения ротора, скорости и высоты полета ЛА и температуры обтекающего ее потока воздуха или газа. К основным расчетным режимам работы двигателя при оценивании прочности рабочих лопаток компрессоров и турбин относятся следующие:

1. Максимально взлетный режим при Н_полета = 0, V_полета = 0, n_ротора = n_max. В этих условиях максимальное назначение достигает центробежная сила и обусловленный ею изгибающий момент (P_Ц = max; М_Ц = max). Газодинамические нагрузки Р_Г и М_Г имеют некоторое среднее значение.

2. Режим максимального расхода воздуха через двигатель Н_полета = 0, V_полета = max, n_ротора = n_max (полет на минимальной высоте с максимальной скоростью при температуре воздуха на входе в двигатель T_Н = - 60 °С). В этом случае моменты от газодинамических и центробежных сил имеют максимальное значение (М_Г = max; М_Ц = max).

3. Режим наименьшего расхода воздуха через двигатель Н_полета = max, V_полета = min, n_ротора = n_max (высотный режим – полет на максимальной высоте с минимально возможной скоростью). На этом режиме центробежная сила и момент от центробежной силы будут максимальными (P_Ц = max; М_Ц = max), а газодинамические силы и моменты от них – минимальными (P_Г = min; М_Г = min). Режим является опасным потому, что ослабляется компенсация изгибающих моментов от центробежных сил моментами от газодинамических сил.

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