ВАЛ ТУРБОМАШИНЫ

Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности к авиадвигателестноению, и может найти применение на валах турбомашин, которые используются как транспортная магистраль для переброски воздуха, масло-воздушной смеси и других рабочих газообразных смесей, применяющихся в двигателе, между различными полостями турбомашины.
В современных газотурбинных двигателях (ГТД) внутренние полости валов, как правило, используются в качестве воздушных магистралей. Данное обстоятельство зачастую приводит к необходимости выполнения отверстий в оболочке вала для прохода воздуха. Учитывая, что валы (особенно авиационных ГТД) являются высоконагруженными деталями, воспринимающими нагрузки от осевой силы и крутящего момента, наличие отверстий приводит к высокой концентрации напряжений.
Наиболее близким является вал турбомашины, включающий полую часть, на боковой поверхности которой по диаметру вала выполнены сквозные отверстия (Патент US 3031132 от 02.12.1957, опубл. 24.04.1962 МПК F02C 7/18, F04D 27/02).
Недостатком данного вала является высокая концентрация напряжений в отверстиях, что приводит к уменьшению ресурса вала. Для решения данной проблемы в современных валах на месте, где выполнены отверстия, увеличивают толщину полой части, что приводит к увеличению массы самого вала турбомашины.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение концентрации напряжений в отверстиях вала турбомашины, и как следствие увеличение ресурса работы вала, а также уменьшение массы вала турбомашины.
Технический результат достигается тем, что вал турбомашины включает полую часть, на боковой поверхности которой по диаметру вала выполнены сквозные отверстия.
кр
сp
осев.
Новым в полезной модели является то, что отверстия в полой части выполнены эллиптической формы, при этом большая ось отверстия выполнена под углом α к оси вращения вала, который определяется соотношением , где М - крутящий момент на валу, R - средний радиус вала, F - осевая сила, действующая на валу, Δ=0…10° - угол, определяемый конструктивными особенностями вала.
Большая ось отверстия выполнена по винтовой линии по отношению к оси вращения вала.
На фигурах показаны:
Фиг.1 - Вал турбомашины;
Фиг.2 - Концентрация эквивалентных напряжений на валу с отверстиями эллиптической формы.
Вал турбомашины содержит полую часть 1 (Фиг.1). На боковой поверхности 2 полой части 1 выполнены сквозные отверстия 3. Сквозные отверстия 3 выполнены эллиптической формы.
Большая ось 4 отверстий 3 выполнена под углом α к оси вращения 5 вала. Угол α определяется соотношением (1) исходя из схемы нагружения вала турбомашины (Фиг.1):
;
окр.
где F - окружная сила, действующая на вал;
осев.
F - осевая сила, действующая на валу;
Δ=0…10° - угол, определяемый конструктивными особенностями вала.
При этом осевая сила определяется согласно формуле (2):
кр
где М - крутящий момент на валу;
сp
R - средний радиус вала.
Таким образом, подставляя в формулу (1) формулу (2) найдем формулу (3) для определения угла α:
Также большая ось 4 отверстий 3 может быть выполнена по винтовой линии по отношению к оси вращения 5 вала.
Вал турбомашины работает следующим образом.
При вращении вала воздух проходит через эллиптические отверстия 3 полой части 1. При этом внутренняя полость полой части 1 вала служит как воздушная магистраль и используется для нужд пневматической системы двигателя.
В ходе экспериментального исследования было проведено два расчета валов турбомашины: первый расчет для вала с круглыми отверстиями, второй расчет для вала с отверстиями эллиптической формы (Фиг.2).
Для расчетов работы валов были взяты условия, приближенные к реальной работе вала турбомашины, а именно:
- обороты вращения 48700 об/мин.;
- температура вала 200°С;
- осевая сила 4810 кгс;
- крутящий момент 20,4 кгс·м;
- изгибающий момент 4,05 кгс·м;
- материал вала ЭП866-Ш.
После получения значений напряжений на валу с круглыми отверстиями и на валу с отверстиями эллиптической формы было установлено, что напряжения на валу с отверстиями эллиптической формы (Фиг.2) меньше, чем напряжения на валу с круглыми отверстиями. Таким образом, ресурс работы вала турбомашины с отверстиями эллиптической формы больше, чем ресурс вала с отверстиями круглой формы.