Análise de Cargas em Discos de Compressores Aeromotores e Discos de Turbina

No processo de operação de motores aeronáuticos, os discos do compressor e os discos da turbina, como componentes principais, precisam suportar a ação de diversas cargas complexas. Estas cargas afetam diretamente a resistência, a vida útil e a segurança operacional dos discos, por isso é crucial analisar com precisão as características e impactos dos vários tipos de cargas.

I. Força centrífuga de massa: a carga básica do disco

Quando o disco gira em alta velocidade, ele precisa suportar a força centrífuga de massa gerada por ele mesmo e pelas peças instaladas nele, como lâminas, placas de travamento, defletores, parafusos, etc. No cálculo de resistência, os seguintes estados de velocidade de rotação precisam ser focados:

• A velocidade operacional em estado estacionário nos pontos de cálculo de resistência especificados dentro do envelope de voo;

• A velocidade máxima permitida de operação em estado estacionário especificada na especificação de tipo;

• 115% e 122% da velocidade operacional máxima permitida em estado estacionário.

As cargas de várias peças instaladas na borda do disco são geralmente consideradas uniformemente distribuídas na superfície da borda externa do disco. A fórmula para a carga uniformemente distribuída é:

(Fórmula: A expressão da fórmula específica não é fornecida no texto original, portanto permanece como está)

Na fórmula, F é a soma de todas as cargas externas, R é o raio do círculo externo do disco e H é a largura axial da borda externa do disco.

Quanto à seleção do raio da borda externa, ele precisa ser determinado de acordo com a posição do fundo :

• Quando o fundo do disco é paralelo ao eixo de rotação do disco, o raio da borda externa é considerado o raio onde o fundo do disco está localizado;

• Quando o fundo do disco tem um ângulo de inclinação com o eixo de rotação do disco na direção radial, o raio da borda externa é aproximadamente considerado como a média dos raios dos fundos das bordas frontal e traseira.

II. Carga térmica: uma carga fundamental que varia de acordo com as condições de trabalho

O disco irá gerar carga térmica devido ao aquecimento desigual, e seu grau de influência varia de acordo com o tipo de motor e condições de trabalho.

• Para discos de compressor, a carga térmica geralmente pode ser ignorada em projetos tradicionais, mas com a melhoria da relação de pressão total do motor e da velocidade de vôo, a carga térmica dos estágios dianteiro e traseiro do disco do compressor às vezes precisa ser considerada;

• Para discos de turbina, o estresse térmico é um fator de influência importante, perdendo apenas para a força centrífuga. Ao calcular, é necessário considerar o campo de temperatura em estado estacionário especificado no envelope de voo para cada cálculo de resistência, o campo de temperatura em estado estacionário no ciclo de voo típico e o campo de temperatura transitória.

Na ausência de dados originais suficientes e referências de temperatura medidas, o campo de temperatura no disco pode ser estimado através de fórmulas empíricas de acordo com o estado de projeto e os parâmetros do fluxo de ar no estado de carga térmica máxima:

(Fórmula: A expressão da fórmula específica não é fornecida no texto original, portanto permanece como está)

Na fórmula, T é a temperatura no raio desejado, T0 é a temperatura no furo central do disco, Tb é a temperatura na borda do disco, R é qualquer raio do disco e os subscritos 0 e b correspondem ao furo central e à borda respectivamente.

Entre eles, a seleção do valor m está relacionada ao material e ao método de resfriamento:

• m=2, correspondente à liga de titânio e aço ferrítico sem resfriamento forçado;

• m=4, correspondendo a ligas à base de níquel com resfriamento forçado.

1. Estimativa do campo de temperatura para disco compressor de alta pressão

• Campo de temperatura em estado estacionário: Quando não há fluxo de ar de resfriamento, pode-se considerar que não há diferença de temperatura; quando há fluxo de ar de resfriamento, Tb é considerado aproximadamente como a temperatura de saída do fluxo de ar em cada canal de estágio +15°C, e T0 é considerado aproximadamente como a temperatura de saída do fluxo de ar no estágio de extração de ar de resfriamento +15°C.

• Campo de temperatura transitória: Tb é considerado aproximadamente como a temperatura de saída do fluxo de ar em cada canal de estágio; T0, quando não há fluxo de ar de resfriamento, é considerado aproximadamente 50% da temperatura do aro; quando há fluxo de ar de resfriamento, é considerada aproximadamente a temperatura de saída do estágio de extração do ar de resfriamento.

2. Estimativa do Campo de Temperatura para Disco de Turbina

• Campo de temperatura em estado estacionário: (Descrição relacionada à fórmula: Tb0 é a temperatura da seção transversal na raiz da lâmina; △T é a queda de temperatura da espiga, △T = 50-100 ℃ quando a espiga não é resfriada; △T = 250-300 ℃ quando a espiga é resfriada.)

• Campo de temperatura transitória: Para discos com lâminas resfriadas, o gradiente de temperatura transitória é de aproximadamente 1,75× o gradiente de temperatura em estado estacionário; para discos sem lâminas resfriadas, o gradiente de temperatura transitório é aproximadamente 1,3x o gradiente de temperatura em estado estacionário.

III. Força do Gás e Pressão do Gás: Cargas Geradas pela Ação do Fluido

1. Força do gás transmitida pelas pás (forças axiais e circunferenciais)

• Pás do compressor: Os componentes da força do gás que atuam na altura da pá da unidade possuem fórmulas de cálculo correspondentes para direções axiais e circunferenciais (as expressões específicas da fórmula não são fornecidas no texto original, portanto permanecem como estão). As fórmulas envolvem parâmetros como o raio médio da pá, o número de pás, a densidade do fluxo de ar nas seções de entrada e saída, a velocidade axial, a pressão estática e a velocidade circunferencial.

• Pás da turbina: A direção da força do gás difere por um sinal negativo das duas fórmulas para pás do compressor.

2. Pressão do gás nas faces dianteira e traseira do disco

Geralmente há uma certa pressão na cavidade entre os discos de dois estágios (especialmente os discos do compressor). Se a pressão nos espaços adjacentes for diferente, causará uma diferença de pressão △p=p1-p2 no disco entre as duas cavidades. Em geral, △p tem pouco efeito na resistência estática do disco, especialmente quando há um furo na alma do disco, △p pode ser ignorado.

4. Momento giroscópico durante o voo de manobra

Para discos de ventilador de grande diâmetro com pás de ventilador, é necessário considerar a influência do momento giroscópico na tensão de flexão e na deformação do disco. Durante o vôo de manobra, o momento giroscópico fará com que o disco suporte uma força adicional, o que por sua vez afeta sua estabilidade estrutural.