Массовые нагрузки

Появление массовых нагрузок обусловлено тем, что каждый элемент ГТД обладает массой и массовым моментом инерции. Изменение величины и направления скорости движения элемента приводит к возникновению инерционных сил и моментов, относящихся к массовым нагрузкам. К массовой силе относится и сила тяжести, ее направление определяется положением воздушного судна относительно земли.

При эволюциях воздушного судна в полете, его разгоне и торможении, взлете и посадке, возникают инерционные силы, имеющие в общем случае осевую и поперечные составляющие в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Инерционные силы направлены в сторону, противоположную соответствующей составляющей ускорения.

В общем случае массовые силы P _i определяются следующим образом:

, (18)

где m – масса рассматриваемого узла, – вектор испытываемого узлом ускорения.

Модуль массовой силы может быть определен по формуле:

, (19)

где g – ускорение свободного падения (в системе СИ g ≈ 9, 81 м/с²); n ^э – коэффициент эксплуатационной перегрузки ( = 2, 5…5, 0).

Массовые силы приводят к возникновению изгибающих моментов, действующих на элементы ГТД. Так, например, сила тяжести (вес) вызывает появление изгибающих моментов в роторах и корпусах двигателей.

При выполнении воздушным судном в полете эволюций, связанных с его вращением относительно центра масс помимо инерционных сил возникает гироскопический момент

, (20)

где J _p – массовый полярный момент инерции ротора двигателя, вращающегося с угловой скоростью , кг∙ м²;

– угловая скорость вращения воздушного судна относительно его центра масс, рад/с;

– угол векторами угловых скоростей и .

В соответствии с правилом Н. Е. Жуковского, гироскопический момент действует на вращающийся ротор таким образом, что стремится кратчайшим путем совместить вектор с вектором (рис. 2.16. из книги Скубачевского 1981 г. издания, рис. 1. – интернетовской публикации «Летчику на заметку»).

В ТВД наибольших значений достигает гироскопический момент, создаваемый винтом, так как его массовый полярный момент инерции в 30…100 раз превосходит момент инерции ротора турбокомпрессора двигателя, в то время как угловая скорость вращения винта меньше угловой скорости вращения ротора турбокомпрессора лишь в ~ 10 раз.

Гироскопический момент вызывает изгиб ротора в соответствующей плоскости. При расчетах ротора на прочность суммируют изгибающий момент, обусловленный инерционными силами (т.е. в конечном итоге – поступательным движением воздушного судна с ускорением), с гироскопическим моментом с учетом направления их действия.

Важным видом массовых сил являются центробежные силы P _ц, возникающие во всех вращающихся деталях двигателя. К вращающейся рабочей лопатке турбокомпрессора приложена центробежная сила, величина которой может быть определена с помощью формулы

, (21)

где m_a – масса лопатки;

r _цм – расстояние от оси вращения до центра масс лопатки;

– угловая скорость вращения ротора.

В случае идеально уравновешенного ротора центробежные силы, действующие на его элементы, являются внутренними и не передаются на опоры. Однако, из – за невозможности идеально отбалансировать ротор в процессе его изготовления во вращающемся роторе возникают неуравновешенные силы и моменты.

Неуравновешенную силу P _H оценивают с помощью формулы:

, (22)

где – дисбаланс ротора, находящийся в пределах 5…50 г∙ см после балансировки ротора в заводских условиях; – угловая скорость вращения ротора, рад/с.

В процессе сборки двигателя и особенно – в условиях эксплуатации величина дисбаланса ротора может выйти далеко за пределы указанного диапазона дисбалансов. Наибольшую опасность представляет динамический характер действия неуравновешенных сил и моментов, так как их векторы вращаются с угловой скоростью вращения ротора двигателя.