Силовая система АД и ЭУ

1.

СИЛОВАЯ СИСТЕМА АД И ЭУ
Силовая система (СС) ГТД показывает структуру
и направление передачи усилий и моментов,
возникающих в двигателе.
Конкретным выражением СС
является силовая схема.
СТРУКТУРА СИЛОВОЙ СИСТЕМЫ АД
СС
ротора
По
осевым
связям
ССГТД
СС
статора
По
радиальным
связям
По
окружным
связям
СГАУ Кафедра КиПДЛА

2.

СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В ГТД
●Силы
инерции движущихся масс
● Температурные нагрузки
● Газовые силы
СГАУ Кафедра КиПДЛА

3.

СИЛЫ ИНЕРЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ МАСС
Силы Р от статической неуравновешенности ротора
е
Р=me 2
Р=me 2,
где m-масса ротора, ω – частота вращения ротора
Силы, вызывающие перегрузку
где
э
max
n
Р Мgn
э
max
коэффициент максимальной эксплуатационной перегрузки
Для истребителей n уэ max 8
(в вертикальной плоскости).
Для пассажирских самолетов
э
nmax
=2,5….3,6 – полет в неспокойном воздухе (ТУ-154).
Гироскопические моменты
СГАУ Кафедра КиПДЛА

4.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ
При выполнении самолетом эволюций
на вращающийся ротор двигателя
действует гироскопический момент
Мг=Jp sin ,
где Jp – полярный момент инерции ротора
относительно оси вращения,
J p r dm
- угловая скорость самолета при его эволюции,
ω - угловая скорость вращения ротора
двигателя,
λ- угол между векторами и .
Для цилиндра Jp=Mr2,
где М – масса цилиндра,
r – его радиус.
=V/R,
где V – скорость полета самолета,
R – радиус кривизны траектории
СГАУ Кафедра КиПДЛА
2
V

5.

ПРИМЕР РАСЧЕТА
ГИРОСКОПИЧЕСКИХ СИЛ
Примем М=100кг, r=0,5м.
Тогда Jp=Mr2=100 0,52=25кг м2.
Пусть ротор вращается со скоростью 5000об/мин.
Тогда = n/30 0,1n=500c-1.
Пусть самолет совершает маневр со скоростью вращения, равной 1об/мин.
Тогда =0,1с-1 и
Мг=Jp =25 0,1 500=1250н м.
M=PL, где Р – реакция в опоре, L –расстояние между опорами.
Отсюда P=M/L. Примем L=2м.
Тогда получим для гироскопической силы, действующей на подшипник,
P=1250/2=625н=62,5кГ,
что превышает половину массы ротора.
Мг
P
L
СГАУ
Кафедра КиПДЛА
P

6.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НАГРУЗКИ
Возникают из-за температурных градиентов по оси
двигателя и в радиальном направлении. Их стремятся максимально
снизить.
Для
этого
в
конструкцию
вводят
специальные
компенсаторы (телескопические подвижные соединения и упругие
элементы). Однако это приводит к снижению жесткости
конструкции.
ГАЗОВЫЕ СИЛЫ
Возникают при течении газа по какому-либо каналу
и передаются через стенки на узлы крепления к самолету
для неподвижных деталей и узлов (сопловые лопатки турбин
и направляющие аппараты компрессоров, входное и выходное
устройство, камера сгорания) или способствуют
созданию
вращения в случае подвижных (рабочие лопатки).
СГАУ
Кафедра КиПДЛА

7.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ СИЛ
В КАНАЛЕ АД И ЭУ
Для их определения выделим канал,
ограниченный твердыми стенками,
и возьмем в нем два сечения 1-1 и 2-2
Ось х направим по полету,
ось у – в окружном направлении
P2
по вращению ротора.
С2х
Обозначим через R силу,
действующую со стороны газа на стен
Разложим ее на два направления
– Rу – окружное и Rх - осевое.
Ограничимся определением осевой силы Rx.
Она, согласно уравнению Бернулли, состоит из дву
компонент – статической Рстат и динамической Рди
Направление полета
y
R
P1
x
Ry
Rx
С1х
Rх= Rстат+Rдин
Rстат=Р2F2-Р1F1
СГАУ
Кафедра КиПДЛА
Rдин=G(C2x-C1x)
Rx= G(C2x-C1x)+ Р2F2-Р1F1
Rдин =mV2-mV1
Rдин =V2 m/ -V1 m/

8.

ОСЕВАЯ ГАЗОВАЯ СИЛА В ЭЛЕМЕНТАХ АД
Камера сгорания
Рабочее колесо
компрессора
Rос
Р1
С1а
f1
Q
Р2
С2а
f2
Р1
С1а
f1
Р2
С2а
f2
Rкс
Rок=Р2F2-Р1F1
Rос
Р1
С1а
f1
Р2
С2а
f2
Rот= Р1F1- Р2F2
Выходное устройство
Входное устройство
Р0
С0а
f0
Рабочее колесо
турбины
Rвых
Rвход
Р1
С1а
f1
Р2
С2а
f2
Р1
С1а
f1
Rx= G(C2x-C1x)+ Р2F2-Р1F1
СГАУ Кафедра КиПДЛА

9.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСЕВОЙ СИЛЫ РОТОРОВ
КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ
к
R
к
R1
T
R
к
R2
к
R3
T
R
T
R
1
2
Здесь обозначено:
n
R к Riк - Суммарная осевая сила ротора компрессора
i 1
Riк - Осевая сила i-того рабочего колеса компрессора
RT
n- число ступеней компрессора
m
RTj
j 1
- Суммарная осевая сила ротора турбины
RTj
- Осевая сила j-того рабочего колеса турбины
m – число ступеней турбины
СГАУ Кафедра КиПДЛА

10.

ВКЛАД ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ДВИГАТЕЛЯ В СОЗДАНИЕ ТЯГИ
Элемент
двигателя
Входное
устройство
ОК
КС
ГТ
Выходное
устройство
Осевая сила
±(0,1…0,2)R
(1…2)R
2R
-(1,5…1,8)R
-(0,4…0,5)R
R - ТЯГА
СГАУ Кафедра КиПДЛА

11.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСЕВОЙ СИЛЫ РОТОРА АД
R
D2 А(Р1)
R
T
В(Р2)
RВ
RA
к
RТ
d1
500кгс<Rруп<5000кгс (1)
Для обеспечения условия (1) используются
специальные разгрузочные полости А и В
В разгрузочные полости подаются соответственно давления Р1 и Р2.
Отсюда для RА и RБ имеем:
RA
Составим уравнения равновесия:
Отсюда для Rруп имеем:
4
P1 ( D d )
2
1
2
1
RБ
4
P2 ( D22 d 22 )
Rк+Rруп+RБ=RT+RA
Rруп=RT+RA-Rк-RБ
СГАУ Кафедра КиПДЛА

12.

РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК
Ротор располагается как минимум на двух подшипниках, один
из которых – радиально-упорный (шариковый). В качестве радиальных
подшипников обычно используют роликовые подшипники.
Радиально-упорный подшипник фиксирует осевое положение
ротора, а радиальный подшипник допускает осевое смещение ротора
относительно роликов подшипника, которые не препятствуют этому.
Так делают для компенсации температурных деформаций, которые
всегда имеют место из-за изменения температуры по длине ротора.
Осевое удлинение ротора по этой причине может составлять 5-7мм,
и если не обеспечить свободы расширения на одном из концов ротора, то
в нем возникают недопустимо большие деформации, ведущие к поломке.
В ГТД обычно применяют подшипники легкой серии. Поэтому РУП
выдерживает не более 5Т осевой нагрузки. В современных ОК осевая сила
достигает 25Т. Обычно в ГТД существует жесткая осевая связь роторов
компрессора и турбины, поэтому на РУП передается только разность
между осевыми силами ОК и ГТ, которая составляет 10…15Т и может
превысить допустимую нагрузку на РУП.
Значит, требуются дополнительные конструктивные
мероприятия для снижения осевой силы на РУП.

13.

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ОСЕВОЙ СИЛЫ НА РУП
•соединение ротора компрессора с ротором турбины (то есть только
один радиально-упорный подшипник на всем валу; осевые силы
действуют в разные стороны и результирующая сила снижается.
Пример: АМ-3 или РД-3М. Тяга 10 тонн, осевая сила компрессора 45
тонн, осевая силы турбины 25 тонн);
•введение разгрузочных полостей в компрессоре и в турбине (при
управлении осевой силой ставится условие, чтобы она в процессе
работы действовала только в одну сторону; иначе усложняется
конструкция опоры с радиально-упорным подшипником);
•увеличение диаметра турбины до 1,1...1,3 диаметра компрессора,
чтобы увеличить осевую силу ротора турбины;
•выполнение в опоре специальные разгрузочных устройств типа
осевого газо- или гидростатического (динамического) подпятника,
которые толкают ротор турбокомпрессора назад;
• увеличение возможности восприятия осевой силы радиальноупорным подшипником переведением его в межвальный (с передачей
усилия на статор через радиально-упорный подшипник другого ротора).
Коэффициент работоспособности подшипника пропорционален частоте вращения
ротора. В межвальном подшипнике частота вращения равна разности частот вращения
каскадов. В итоге работоспособность подшипника улучшается. На другом каскаде можно
применить разгрузку (Р-11, 25 изделие, 55 изделие и т.д.)

14.

ОСЕВАЯ РАЗГРУЗКА В ТРД
Для ТРД часть газа расширяется в реактивном сопле.
Поэтому
к Т
и давление за компрессором больше давления за турбиной.
Вследствие этого осевое усилие ОК по абсолютной величине
много больше осевого усилия ГТ,
Rок >> Rгт .
При этом на РУП приходится от 5 до 25% от тяги двигателя.
Поэтому для разгрузки необходимо переднюю полость А
наддувать воздухом с избыточным давлением,
а заднюю Б – суфлировать с атмосферой.
СГАУ Кафедра КиПДЛА

15.

ОСЕВАЯ РАЗГРУЗКА В ТВД
Осевое усилие ГТ намного больше осевого усилия ОК
Rгт >> Rок .
Это связано с тем, что
К= Т,
а площадь, на которую действует давление со стороны компрессора,
меньше, чем со стороны турбины из-за повышения температуры в КС,
благодаря чему увеличивается объемный расход газа
и требуется большие проходные сечения.
Вследствие этого приходится в ТВД переднюю полость
суфлировать, а заднюю – наддувать.
СГАУ Кафедра КиПДЛА

16.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСЕВОЙ СИЛЫ СТАТОРА
к
R
R стат
вна
на
2
R
т
R стат
на
R
3
са
R
Rвхода
1
са
2
R
Rвых
Rкс
к
Rстат
n
Riна
- Суммарная осевая сила статора компрессора
i 1
Riна - Осевая сила i-того направляющего аппарата компрессора
m
Т
Rстат R са
j - Суммарная осевая сила статора турбины
j 1
R са
j - Осевая сила j-того соплового аппарата турбины
СГАУ Кафедра КиПДЛА

17.

БАЛАНС ОСЕВЫХ СИЛ В ТРД
к
вна
R
R стат
т
R стат
к
R 1 Rна
2
к
R 2 Rна3
са
к
R
R3
Rвхода
T
1
T
R 1 Rс а R
2
2
Rвых
Rкс
к
R рот
т
R рот
RРУП Rвхода
т
R стат
Rвых
СТАТОР
к
R стат
Rкс
R(тяга)
Таким образом, тяга является равнодействующей всех осевых газовых сил,
действующих на корпус и направлена в сторону полета.
СГАУ Кафедра КиПДЛА

18.

КРУТЯЩИЕ МОМЕНТЫ ОТ ГАЗОВЫХ СИЛ
По ГОСТ принято левое вращение ротора, глядя со стороны сопла.
В соответствии со вторым уравнением Эйлера сумма моментов относительно любой
оси всех сил, приложенных к объёму газа, равна разности моментов относительно той же
оси секундных количеств движения входящего и выходящего газа.
M GВ c2u r2 c1u r1
СГАУ Кафедра КиПДЛА

19.

СИЛОВЫЕ СХЕМЫ
ПО ОКРУЖНЫМ СВЯЗЯМ
Реактивный поток
Мкр
Мтр
Мка
Мта
Активный поток
Образуются двумя моментными потоками
Активный поток – передает крутящий момент
от ротора турбины к компрессору
Реактивный поток передает крутящий момент по статору
от турбины к компрессору и далее
на узел крепления двигателя
СГАУ Кафедра КиПДЛА