Температурные нагрузки.

За время работы двигателя, большинство его деталей нагревается, т.к. они выполнены из материалов, имеющих разные коэффициенты линейного расширения, то даже при одинаковой температуре они увеличиваются не одинаково поэтому, если не предусмотреть необходимые зазоры на линейные расширения различных деталей, то будут возникать температурные нагрузки на элементах газовой турбины в силу неравномерности нагрева ответственных деталей диска, рабочих лопаток возникают циклические температурные нагрузки.

Силовая схема ГТД

Силовые схемы ГТД состоят из корпусов компрессоров, подшипников, камеры сгорания и турбины, которые при помощи фланцевых соединений болтами или шпильками соединяются в единую конструкцию называемую силовым корпусом двигателя. На всех двигателях к силовым корпусам крепятся входные и выходные устройства, коробки приводов для агрегатов, обеспечивающих работу двигателя. В турбовинтовых двигателях к силовым корпусам присоединяется редуктор. На силовых корпусах размещаются узлы крепления двигателя к самолету и приспособления для транспортирования. Силовые корпуса воспринимают в полете следующие усилия:

• Усилие от массы всех узлов двигателя

• Газодинамические силы, возникающие при взаимодействии потока газа с элементами проточной части.

• Крутящий момент, возникающий вследствие воздействия газа на лопатки статора.

• Инерционные нагрузки, возникающие от неуравновешенности ротора от изменения ускорения самолета при прямолинейной траектории полета и гироскопические моменты, возникающие при маневрах самолета.

В ТВД кроме указанных нагрузок на силовые корпуса действует тяга винта и реактивный момент. Часть усилий замыкается в силовых корпусах, а часть их передается на самолет через узлы крепления в виде реактивной тяги. Все усилия, действующие на силовые корпуса в условиях полета изменяются в широких пределах. Например: неуравновешенные силы ротора изменяются с высокой частотой, вызывая вибрацию силовых корпусов и его элементов. Отдельные части силовых корпусов работают в различных температурных условиях при большом перепаде температур. При отсутствии свободы температурной деформации в корпусах возникают температурные напряжения, которые могут приводить к разрушению корпуса двигателя.

К конструкциям силовых корпусов предъявляют следующие требования:

1. Корпуса должны обладать прочностью и жесткостью при наименьшей массе.

2. Отдельные детали корпусов, изготавливаемые из разных материалов, обладающих различными коэффициентами температурных расширений должны иметь свободу температурных деформаций.

3. Корпуса двигателя должны обеспечивать простоту и удобство сборки и разборки двигателя в целом и его узлов в отдельности.

4. Корпуса должны иметь специальные люки для осмотра в эксплуатации лопаток, деталей камеры сгорания без разборки двигателя.

Основным признаком, определяющим схему силового корпуса двигателя является способ соединения корпуса компрессора с корпусом турбины. По этому признаку можно выделить две разновидности корпусов:

1. Схема силовых корпусов с одинарной связью, внутренней или внешней.

2. Схема крепления с двойной связью, которая может быть замкнутой или разомкнутой.

Изобразим силовые корпуса двигателя.

Схема силового корпуса ТРД с осевым компрессором с одинарной внутренней связью компрессора и турбины (с трубчатыми камерами сгорания):

1-корпус компрессора; 2- корпус турбины; 3-одинарная внутренняя связь компрессора и турбины; 4-литой корпус газосборника с радиальными связями; 5-корпус заднего подшипника; 6-корпус сопловых лопаток; 7-собственно корпус турбины.

Схема силового корпуса ТРД с осевым компрессором и одинарной внешней связью компрессора и турбины:

1-корпус компрессора; 2-корпус турбины при расположении заданного подшипника перед турбиной; 2а-корпус турбины при расположении подшипника за турбиной; 3-одинарная внешняя связь (корпус камер сгорания); 4-корпус соплового аппарата турбины с силовой связью наружного и внутреннего колец шпильками, проходящими через внутреннюю полость сопловых лопаток; 5-корпус заднего подшипника с силовой связью с радиальными профилированными ребрами.

Схема силового корпуса ТРД с осевым компрессором с двойной разомкнутой связью компрессора и турбины:

1-корпус компрессора; 2-корпус турбины; 3-внешняя связь (корпус камер сгорания), соединения корпуса компрессора и турбины; 4-внутренняя разомкнутая связь, крепящая к компрессору только подшипник турбины; 5-корпус соплового аппарата турбины с силовой связью наружного и внутреннего колец, осуществляемой шпильками, проходящими через внутреннюю полость лопаток (лопатки в силовую связь не входят).

Схема силового корпуса ТРД с осевым компрессором и двойной замкнутой связью компрессора и турбины:

1-корпус компрессора; 2-корпус соплового аппарата турбины; 3-внешняя связь корпуса компрессора и турбины (корпус камер сгорания); 4-внутренняя связь турбины с компрессором; 5-сопловые шпильки, проходящие через внутреннюю полость сопловых лопаток (соединение внутренней и внешней связей).

Внутреннюю связь применяют в двигателях с трубчатой камерой сгорания, стенки которой не входят в схему силового корпуса. Особенностью этой схемы является наличие корпуса газосборника, стенками которого корпус турбины соединяются с корпусом компрессора, корпус подшипника крепится к внутренней связи. Основным недостатком силового корпуса с одинарной внутренней связью является его большая масса. Стенки этого корпуса располагаются по окружности малого диаметра, поэтому для усиления корпуса необходимо устанавливать ребра.

Схема с одинарной внешней связью. Одинарная внешняя связь корпуса компрессора и турбины осуществляется при помощи корпуса камеры сгорания. Корпус камеры сгорания имеет большой диаметр, поэтому изготовляется из сталей малой толщины, но он имеет большую жесткость и может воспринимать большие нагрузки при малой массе. Особенностью этого силового корпуса является наличие силовых элементов, передающих нагрузки от опоры турбины к наружному корпусу. Эти силовые элементы пересекают среду с высокой температурой, поэтому необходимо применять соответствующую защиту. Все это усложняет конструкцию и увеличивает массу силового корпуса. Основным недостатком является их большая масса.

Схема с двойной разомкнутой связью. В этой схеме силовые элементы не пересекают поток горячих газов перед турбиной, поэтому конструкция защиты сравнительно проста, проще также подвести смазку в подшипник. Основным недостатком схемы является наличие прочной и жесткой связи внешних, внутренних контуров у компрессора в месте разветвления, которую необходимо для сохранения соосности подшипников турбины и требуемых радиальных зазоров между рабочими лопатками и корпусом турбины при работе двигателя. Данная схема применяется в двигателях с кольцевой и трубчато-кольцевой камерой сгорания.

Схема с двойной замкнутой связью. Корпуса компрессора и турбины соединены между собой двойной внешней и внутренней связями. Таким образом используется способность обоих связей. Внешние и внутренние контуры связаны между собой радиальными силовыми связями в двух сечениях за компрессором и перед турбиной. Замкнутая схема позволяет получить большую жесткость при сравнительно малой массе корпусов. Основным недостатком является то, что в данной конструкции необходимо уделять внимание тепловому расширению деталей, входящих во внешние и внутренние связи, т.к. их температура различна. Эта силовая схема имеет большое распространение в современных конструкциях двигателя.