Расчет на прочность пера лопатки будем проводить с помощью методики указанной в пособии [5].
Рабочие лопатки осевой турбины являются весьма ответственными деталями газотурбинного двигателя, от надежной работы которых зависит надежность работы двигателя в целом.
При работе авиационного ГТД на рабочие лопатки действуют статические, динамические и температурные нагрузки, вызывая сложную картину напряжений.
Расчет на прочность пера лопатки проводим только от действия статических нагрузок. К ним относятся:
центробежные силы масс лопаток, которые появляются при вращении ротора;
газовые силы, возникшие при обтекании газом профиля пера лопатки и в связи с наличием разности давлений газа перед и за лопаткой.
Центробежные силы вызывают деформации растяжения, изгиба и кручения, газовые – деформации изгиба и кручения.
Напряжения кручения от центробежных и газовых сил слабозакрученных рабочих лопаток малы, и ими обычно пренебрегают.
Напряжения растяжения от центробежных сил являются наиболее существенными.
При расчете лопаток на прочность принимают следующие допущения:
лопатку рассматривают как консольную балку, жестко заделанную в ободе диска;
напряжения определяют по каждому виду деформации отдельно (для сильнозакрученных лопаток это допущение несправедливо);
температуру в рассматриваемом сечении пера лопатки считают одинаковой, т.е. температурные напряжения отсутствуют;
лопатку считают жесткой, а деформации лопатки под действием силы и моментов пренебрегают;
предполагают, что деформации лопатки протекают в упругой зоне, т.е. напряжения в пере лопатки не превышают предел пропорциональности;
температура лопатки турбины изменяется только по длине пера.
Цель расчета на прочность лопатки – определение напряжений и запасов прочности в различных сечениях по длине пера лопатки.
Расчетный режим – режим максимальной частоты вращения ротора при нулевой скорости и нулевой высоте (Н=0, М=0). Этим условиям соответствует взлетный режим.
Все величины необходимые для формирования исходных данных берем из газодинамического расчета и профилирования рассматриваемой ступени турбины.
Распределение температуры и предела длительной прочности
по высоте лопатки
Знать температуру лопатки турбины в различных ее сечениях необходимо для установления предела длительной прочности.
В связи передачей тепла от лопатки в диск, теплопроводностью температура ее примерно на одной трети длины у корня существенно уменьшается. Обычно температура лопатки в корневом сечении составляет: 
.
Приближенно можно считать, что на двух третях длины лопатки температура постоянна, а на одной трети (у корня) изменяется по закону кубической параболы:
,
где L – длина профильной части пера лопатки;
Х – расстояние от корневого сечения лопатки до расчетного (Х<L/3).
Разбиваем перо лопатки на 11 сечений.
Температуру лопатки на среднем радиусе берем из газодинамического расчета турбины на среднем радиусе tлс=934 (⁰С).
Температура лопатки в корневом сечении составляет
tлк=tлс-100⁰С =934-100=834(⁰С).
Для каждого сечения лопатки определяем температуру, а затем предел длительной прочности в каждом сечении. Результаты заносим в таблицу 2.1.
Рисунок 2.1 –Распределение температуры по высоте лопатки
Таблица 2.1 - Параметры материала по сечениям лопатки
|
№ сеч. |
1-1 |
2-2 |
3-3 |
4-4 |
5-5 |
6-6 |
7-7 |
8-8 |
9-9 |
10-10 |
11-11 |
|
Т, C |
770 |
800 |
850 |
870 |
870 |
870 |
870 |
870 |
870 |
870 |
870 |
|
удл,МПа |
870 |
820 |
780 |
730 |
730 |
730 |
730 |
730 |
730 |
730 |
730 |