Каскад высокого давления приводного газотурбинного двигателя

  • Вид работы:
    Дипломная (ВКР)
  • Предмет:
    Физика
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    599,98 kb
  • Опубликовано:
    2011-06-30
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Каскад высокого давления приводного газотурбинного двигателя

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Кафедра 201


 

 

 

 

 

КАСКАД ВИСОКОГО ТИСКУ ПРИВІДНОГО ГТД


Пояснювальна записка до випускної роботи бакалавра

за напрямком 0905 Енергетика

за спеціальністю 7.090522

Газотурбінні установки і компресорні станції

Виконавець

студент групи 241

Муженский А.В.

Керівник д. т. н., професор каф

Герасименко В.П.

Нормоконтролер д.т.н., професор каф

Герасименко В.П

2007 р.

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Кафедра 201

«Затверджую»

Завідуючий кафедрою

д.т.н. професор Бойко Л.Г.

р.

ЗАВДАННЯ

на випускну роботу бакалавра

за напрямком 0905 Енергетика

за спеціальністю 7.090522 - Газотурбінні установки і компресорні станції

Студенту гр. 241 Муженському О.В.

1.   Тема роботи: Каскад високого тиску привідного ГТД.

За наказом № 18-2ф від “ 03 “ травня 2007р.

2.   Технічне завдання: Спроектувати каскад високого тиску привідного газотурбінного двигуна.

.     Завдання по розділах роботи:

основний розділ: а) розрахунково - теоретична частина: виконати розрахунки параметрів ГТД та його вузлів;

б) конструкторська частина: розробити конструкцію вузлів газогенератора приводного ГТД, виконати розрахунки на міцність деталей турбіни.

Консультант Герасименко В.П.

Розділ роботи з технологічної частини: розробити розмірну схему процесу обробки деталі - вала - шестерні, виконати розрахунки операційних розмірів.

Консультант Багмет М.М

4.      Перелік обов’язкових питань, що підлягають опрацюванню:

Теоретична частина - термогазодинамічний розрахунок двигуна; формування обліку двигуна; газодинамічний розрахунок компресора і турбіни; профілювання лопатки РК першої ступені компресора високого тиску; опис конструкції двигуна; розрахунки на міцність робочої лопатки, диску першої ступені компресора високого тиску; розрахунок операційних розмірів; аналіз одержаних результатів проектування.

5.      Перелік обов’язкового графічного матеріалу:

Аркуш №1 (формат А1) - креслення розподіл основних параметрів уздовж проточної частини двигуна.

Аркуш №2 (листи формату А1) - креслення загального вигляду каскаду високого тиску привідного газотурбінного двигуна.

Аркуш №3 (формат А2) - креслення вала - шестерні.

Аркуш №4 (формат А2) - креслення заготовки для виготовлення вала-шестерні.

Аркуш №5 (формат А1) - план обробки заготовки.

6.      Строк здачі закінченої роботи для затвердження: “ ” 2007 р.

Завдання видав

Герасименко В.П.

Завдання прийняв до виконання

Муженський О.В

ВВЕДЕНИЕ


Последние годы характеризуются расширением использования газотурбинных установок в различных областях техники. Именно этим обстоятельством объясняется повышенный интерес, который проявляется в широких кругах специалистов к ГТД.

Для применения в народном хозяйстве могут использоваться, как специально разрабатываемые ГТУ, так и авиационные двигатели, отработавшие свой ресурс. Комплексное использование авиационных ГТД вначале на воздушном транспорте, а затем в наземных установках особенно эффективно, так как в целях обеспечения высокого уровня безопасности полетов летный ресурс авиационных двигателей меньше их располагаемого технического ресурса при рабочих режимах эксплуатации в наземных установках.

Основными требованиями к ГТУ, обусловленными особенностями их использования являются: минимальные габаритные размеры и масса, высокий КПД, благоприятное протекание эксплуатационных характеристик, надежность, технологичность, мобильность.

Широкое использование в наземных конструкциях высокопрочных, труднообрабатываемых материалов, усложнение конструкции и рост габаритов изделий, высокая точность и трудоемкость изготовления, частая сменяемость и высокая стоимость объектов производства диктуют повышение требований к технологии производства наземной техники.

В сфере проектирования и доводки новых и зарекомендовавших себя конструкций имеется широкое поле для конструкторской деятельности по повышению надежности, прочности, живучести и технологичности узлов и элементов газотурбинных двигателей.

Успешная реализация конструктивных решений в большей степени определяется технологией. Проектируемые технологические процессы должны обеспечивать повышение производительности труда и качества изделий при одновременном снижении затрат на их изготовление. Решение этих задач во многом зависит от рационального построения размерных связей в процессе обработки, обоснованного назначения припусков на обработку допусков операционных размеров.

Эффективность технологического процесса существенно зависит также от рационального выбора припусков. Чрезмерные припуски влекут за собой перерасход материала и требуют введения дополнительных технологических переходов, увеличивая расход режущего инструмента и электроэнергии, трудоемкость обработки и в конечном итоге - себестоимость продукции. Ввиду высокой стоимости авиационных материалов уменьшение припусков обычно окупает затраты на изготовление точных заготовок, однако необоснованно заниженные припуски не обеспечивают удаления дефектной части поверхностного слоя и достижения заданной точности, увеличивая вероятность брака.

В данной работе необходимо спроектировать каскад высокого давления приводного ГТД. Прототипом для привода послужил двигатель Д336-2-10. В качестве топлива используется природный газ. Данный ГТД выполнен по двухвальной конструктивной схеме со свободной турбиной. Для достижения цели проектирования необходимо провести:

-        термогазодинамический расчет двигателя для выбора основных параметров цикла двигателя (, Тг*). При этом необходимо обеспечить высокий уровень КПД установки и достаточно длительный ресурс работы установки;

         согласование параметров компрессора и турбин. Данный этап позволяет обеспечить оптимальные (рекомендуемые) геометрические и газодинамические соотношения в определяющих облик двигателя расчетных сечениях, обеспечить нормальную загрузку ступеней турбины и допустимые напряжения в лопатках турбины;

         газодинамический расчет турбины;

         профилирование РК первой ступени компрессора высокого давления;

         расчет на прочность наиболее нагруженных деталей узла (диск, лопатка РК);

- разработку плана технологического процесса изготовления детали - вала-шестерни.

1. РАСЧЕТНО - ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

.1 Выбор параметров и термогазодинамический расчет двигателя

Основная цель термогазодинамического расчета определение удельных параметров двигателя. Расчет выполняется для Gв=1кг/с. В расчете вычисляются параметры в характерных сечениях двигателя. Эти данные в дальнейшем используются для согласования параметров компрессора и турбины, и формирования облика двигателя.

Выбор параметров и термогазодинамический расчет двигателя осуществляется в соответствии с рекомендациями [1].

.1.1. Выбор и обоснование параметров двигателя

·        Температура газа перед турбиной

Увеличение температуры газов перед турбиной позволяет значительно увеличить удельную мощность двигателя и, следовательно, уменьшить габаритные размеры и массу двигателя. Повышение температуры газа перед турбиной улучшает также экономичность двигателя. Для обеспечения надежности работы турбины при высоких значениях температуры газа (Тг*>1375К) необходимо применять охлаждаемые лопатки. Потребное количество охлаждающего воздуха зависит от температуры газа и способа охлаждения турбины, что приводит к снижению удельной мощности и росту удельного расхода топлива.

·        Степень повышения давления в компрессоре

При разработке ГТУ на начальных стадиях их развития основным требованием было получение минимальной удельной массы двигателя, что приблизительно соответствует максимуму удельной мощности. Несмотря на благоприятное влияние повышения πк* на удельные параметры двигателя, применение больших значений πк* ограничено усложнением конструкции и увеличением массы, габаритов компрессора. Выбор высоких значений πк* при проектировании двигателей малой мощности приводит к получению малых высот лопаток последних ступеней компрессора и первых ступеней турбины. Это в свою очередь приводит к росту потерь энергии из-за увеличения относительных радиальных зазоров, уменьшения значения числа Рейнольдса и понижения относительной точности изготовления пера лопатки.

·        КПД компрессора и турбины

Величина изоэнтропического КПД многоступенчатого компрессора по параметрам заторможенного потока зависит от степени повышения давления в компрессоре и КПД его ступеней:


где - среднее значение КПД ступеней компрессора.

На расчетном режиме среднее значение КПД ступеней в многоступенчатых осевых компрессорах современных авиационных двигателей лежит в пределах =0.88..0.9. Принимаем =0.9.

Наличие переходных каналов между каскадами приводит к снижению  в зависимости от гидравлических потерь от 1% до 2%.

КПД компрессора - это отношение изоэнтропической работы по параметрам заторможенного потока к работе компрессора, может быть представлен как произведение


где ήм - механический КПД компрессора, учитывающий потери в его опорах, обычно составляющий ήм = 0,985…0,995. Принимаем ήм=0.995;  - КПД компрессора по параметрам заторможенного потока.

Таблица 1.1

Величина

Значение

20.52121.62222,5






0,8450,8450,8440,8430,843







Значения КПД неохлаждаемых турбин по параметрам заторможенного потока обычно лежат в пределах . Охлаждение турбин приводит к снижению КПД.

Для определения КПД охлаждаемой турбины в зависимости от выбранных значения Тг*, в термогазодинамическом расчете можно использовать соотношение:

,

где  = 0.92 - КПД неохлаждаемой турбины.

 

Таблица 1.2

Величина

Значение

 

Тг*, К

1325

1350

1375

1400

1425

0,9110,9080,9050,9010,898






 
·        Потери в элементах проточной части

Заводские характеристики двигателя исследуются без учета потерь давления на входе в двигатель, но так как наш двигатель будет работать в единой системе с входной шахтой, то примем .

Потери полного давления в камере сгорания вызываются гидравлическим и тепловым сопротивлением. Гидравлическое сопротивление определяется в основном потерями в диффузоре, фронтовом устройстве, при смещении струй, при повороте потока (=0,93...0,97). Принимаем  = 0,97.

Тепловое сопротивление возникает вследствие подвода тепла к движущемуся газу. Для основных камер сгорания обычно  =0,97…0,98. Принимаем при  =0,15 и θ=1,88 =0,985.

Суммарные потери полного давления в камере сгорания подсчитываются по формуле:


Потери тепла в камере сгорания главным образом связаны с неполным сгоранием топлива и оценивается коэффициентом полноты сгорания . Этот коэффициент на расчетном режиме достигает значений =0.97..0.995. Принимаем =0.994.

При наличии переходного патрубка между турбиной компрессора и свободной турбиной коэффициент восстановления полного давления .

Выходное устройство ГТУ, как правило, выполняется диффузорным. Коэффициент восстановления полного давления: .

·    Скорость истечения газа из выходного устройства

Скорость истечения газа Сс из ГТУ характеризует потерянную кинетическую энергию на выходе из двигателя, поэтому ее целесообразно было бы уменьшать. С другой стороны, при очень малых значениях Сс чрезвычайно сильно растут габариты двигателя из-за большой площади среза выпускного канала. Учитывая эти противоречивые требования, скорость истечения выбираем Сс=80 м/с.

Выбираем оптимальное значение отбора воздуха за компрессором (Gотб) на нужды энергоустановки, Gотб=10 %.

С помощью механического КПД учитывают потери мощности в опорах ротора двигателя и отбор мощности на привод вспомогательных агрегатов, обслуживающих двигатель. Эти величины, как правило, не превышают 1..2% общей мощности, передаваемой ротором, поэтому обычно .

В качестве топлива принимаем природный газ, так как двигатель-прототип рассчитан на этот вид топлива. Низшая теплотворная способность природного газа = 51000 кДж/кг;  - количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного килограмма топлива, для газа

=17.1

.1.2 Термогазодинамический расчет двигателя

Расчет выполняется с помощью ЭВМ. Это позволяет провести расчет нескольких вариантов с выявлением влияния различного сочетания  и Тг* на удельные параметры двигателя и дает возможность выбрать оптимальный вариант расчетных параметров. Исходные данные и результаты расчета приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

ТГДР ГТД-Р NT= 1 5 5 1 ДАТА 31. 5. 7

TG= 1325. 1350. 1375. 1400. 1425. ANTK= .911 .908 .905 .901 .898

PIK= 20.50 21.00 21.50 22.00 22.50 ANK = .845 .845 .844 .843 .843

ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГТД

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: G= 1.00 DGO= .100 HU= .5100E+08 LO= 17.10

H= .00 MH= .000 CC= 80.0 NTB= .920 ПBB=1.000 TBB=1.000 NB=1.000

SB= .970 SK= .955 NГ= .994 SPT= .990 SPH= .980 NM= .990 NPД=1.000

TH=288.15 THO=288.15 TBO=288.15 PH=101325. PHO=101325. PBO= 97272. VH= .0

ТГ ПК NEY CE NK NTK КПД

1325. 20.50 223.3 .2066 .8450 .9110 .3416

1325. 21.00 221.4 .2067 .8450 .9110 .3415

1325. 21.50 219.0 .2073 .8440 .9110 .3406

1325. 22.00 216.5 .2079 .8430 .9110 .3396

1325. 22.50 214.6 .2081 .8430 .9110 .3392

1350. 20.50 237.3 .2030 .8450 .9080 .3477

1350. 21.00 235.6 .2030 .8450 .9080 .3477

1350. 21.50 233.2 .2034 .8440 .9080 .3470

1350. 22.00 230.8 .2039 .8430 .9080 .3462

1350. 22.50 229.0 .2040 .8430 .9080 .3460

1375. 20.50 253.5 .2000 .8450 .9050 .3529

1375. 21.00 251.7 .1984 .8450 .9050 .3558

1375. 21.50 247.6 .2002 .8440 .9050 .3526

1375. 22.00 245.3 .2006 .8430 .9050 .3519

1375. 22.50 243.5 .2006 .8430 .9050 .3519

1400. 20.50 265.2 .1978 .8450 .9010 .3569

1400. 21.00 263.7 .1976 .8450 .9010 .3573

1400. 21.50 261.4 .1978 .8440 .9010 .3569

1400. 22.00 259.2 .1980 .8430 .9010 .3565

1400. 22.50 257.6 .1979 .8430 .9010 .3566

1425. 20.50 279.4 .1954 .8450 .8980 .3612

1425. 21.00 277.9 .1952 .8450 .8980 .3617

1425. 21.50 275.8 .1953 .8440 .8980 .3615

1425. 22.00 273.6 .1954 .8430 .8980 .3612


По данным таблицы 1.3 построены графики зависимости удельного расхода и удельной мощности от степени повышения давления (рис 1.1-1.2).

Из рис.1.1-1.2 видно, что при заданном уровне πк* =21 и Тг*=1375 К как у прототипа обеспечивается достаточно низкий удельный расход топлива, и высокое значение удельной мощности двигателя. Повышение температуры газа нецелесообразно из соображений повышения ресурса двигателя. Как мы видим из таблицы 1.3 при πк* =21 двигатель обеспечивается меньший удельный расход топлива и большая удельная мощность двигателя по сравнению с прототипом. Таким образом мы выбираем для проектируемого двигателя πк* =21и Тг*=1375 К.

Рис 1.1 График зависимости Neуд=f(Tг*, πк*)

Рис 1.2 График зависимости Сe=f(Tг*, πк*)

Проведя выбор основных параметров можно провести термогазодинамический расчет проектируемого двигателя. Результаты сведены в таблицу 1.4.

Таблица 1.4

ТГДР ГТД-Р NT= 1 1 1 1 ДАТА 19. 1. 6

TG= 1375. 1350. 1300. 1250. 1400. ANTK= .905 .905 .910 .912 .907

PIK= 21.00 14.00 16.00 18.00 11.50 ANK = .845 .846 .842 .836 .862

ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГТД

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: G= 1.00 DGO= .100 HU= .5100E+08 LO= 17.10

H= .00 MH= .000 CC= 80.0 NTB= .920 ПBB=1.000 TBB=1.000 NB=1.000

SB= .970 SK= .955 NГ= .994 SPT= .990 SPH= .980 NM= .990 NPД=1.000

TH=288.15 THO=288.15 TBO=288.15 PH=101325. PHO=101325. PBO= 97272. VH= .0

СХЕМА ПЕЧАТИ: NEY NE CE QT AKC GT FC LC

TK TTK TT PK PГ PTK PT PC

NK NTK LK LTK LTB ПTK ПTB ПТ

КПД LCB NP CPГ КГ RГ

CPB KB RB

ТГ=1375.0 ПК=21.000 SR= .000 SR1=1.000 SR2=1.000 TCO= 735.1

251.7 251.7 .1984 .1541E-01 3.794 49.94 .2596E-01 .1633

733.7 942.6 735.1 .2043E+07 .1951E+07 .3273E+06 .1050E+06 .1029E+06

8450 .9050 .4674E+06 .5166E+06 .2479E+06 5.901 3.118 18.58

3558 .2767E+06 .9074 1195. 1.317 287.3

1038. 1.382 287.0


1.1.3 Вывод

Анализируя зависимости, представленные на рис. 1.1-1.2 и в табл.1.3-1.4, можно отметить, что по сравнению с прототипом повысились значения удельной мощности до  и эффективного КПД до 35,1%. Кроме того, удалось снизить удельный расход топлива до , что позволяет уменьшить расход воздуха Gв, а, следовательно, и диаметр входа в двигатель (Dвх). Это позволяет уменьшить габаритные размеры и массу двигателя.

В результате проведенного термогазодинамического расчета были получены основные удельные параметры двигателя и параметры, характеризующие работу его узлов.

Полученные данные являются исходными для согласования параметров турбокомпрессора, расчета компрессора и турбины.

1.2 Формирование «облика» проточной части турбокомпрессора, согласование параметров компрессора и турбины

Формирование облика (проточной части) является одним из наиболее важных начальных этапов проектирования ГТУ, непосредственно следующим за тепловым расчетом и предшествующим газодинамическим расчетам элементов проточной части (компрессора и турбины). При выполнении формирования облика определяются: форма проточной части, частоты вращения роторов и число ступеней каскадов лопаточных машин.

Расчет выполняем в соответствии с рекомендациями [2].

.2.1 Выбор и обоснование исходных данных для согласования

Исходными данными для этих расчетов являются значения заторможенных параметров рабочего тела (воздуха и продуктов сгорания) в характерных (расчетных) сечениях проточной части, основные геометрические (диаметральные) соотношения каскадов лопаточных машин и принимаемые значения коэффициентов аэродинамической загрузки компрессорных и турбинных ступеней.

Так как проектируемый двигатель предназначен для привода ГПА, то необходимо получить частоту вращения свободной турбины строго 4800 об/мин. Геометрические соотношения выбираются в соответствии с прототипом.

Результат представлен в таблице 1.5. Облик турбокомпрессора проектируемого ГТД представлен на рис.1.3.

Таблица 1.5

Формирование облика ГГ и ТC ГТД-2-1 ( КВД - ОК или ОЦК )

Исходные данные:

Neуд= 251.7 Сe = .1984 КПДк= .8450 КПДтк= .9050

Lк = 467380. Lтк*= 516590. Lтс*= 247900. КПДтс= .9200

Cpг =1194.7 Kг =1.3167 Cpв =1038.4 Kв =1.3820

Ne = 10600. Gв = 42.11

doв = .600 Dсртн/Dк =1.010 Dсртc/Dк =1.423

doво= .921 D1цс/Dкко=1.000 D2цc/Dко =1.000

D4цс/D2цс=1.000 Dсpтв/Dко=1.130

Lкн/Lк = .410 КПДкн* = .890 Sркнв = .993

Lок/Lкв=1.000 КПДок* = .870 Sркоц =1.000

Mzтс =4.500 Sртвн = .995 Sртнс = .990

Uк = 370.0 Uквд = 400.0

Результаты pасчета:

* КНД * Кф = 2 Zк = 7.

Lк*= 189710. Пiк*= 5.047 КПД*= .8900 Uк = 370.0

Dк = .6834 dob = .6000 dok = .8583 Hzc= .2229

nнд =10341.

* ОК ВД * Кф = 1 Zк = 7.

Lк*= 272997. Пiк*= 4.191 КПД*= .8703 Uк = 400.0

Dк = .5373 dob = .8200 dok = .9211 Hzc= .2437

nвд =14218.

 * ТВД * Кф = 3 Zт = 1.

 Lт*= 304788. Пiт*= 2.596 КПД*= .9050 (h/D)г= .0647

 Uср= 444.1 Mz = 1.545 Dcр = .6072 (h/D)т= .0975

 Sр = 192.2 Tw* =1202.4

 * ТHД * Кф = 3 Zт = 1.

 Lт*= 211802. Пiт*= 2.285 КПД*= .8784 (h/D)г= .0838

 Uср= 364.5 Mz = 1.594 Dcр = .6902 (h/D)т= .1290

 Sр = 171.3 Tw* = 998.2

 * ТC * Кф = 3 Zт = 3.

 Lт*= 247900. Пiт*= 3.118 КПД*= .9200 (h/D)г= .0812

 Uср= 234.7 Mz = 4.500 Dcр = .9721 (h/D)т= .1535

 Sр = 84.5 Tw* = 758.1 nтс = 4800.

 Сечение\Паpаметp: T* : P* : C : C/акp : F

 : K : Па : м/с : --- : кв.м

 в - в 288. 97272. 175.0 .5649 .2347

 к кнд - к кнд 471. 490886. 165.0 .4167 .0756

 в квд - в квд 471. 487450. 170.0 .4293 .0743

 к - к 734. 2042700. 130.0 .2630 .0344

 г - г 1375. 1950800. 124.0 .1850 .0698

 т твд - т твд 1120. 751530. 165.0 .2728 .1129

 г тнд - г тнд 1120. 747772. 165.0 .2728 .1134

 т тнд - т тнд 943. 327300. 190.0 .3424 .1930

 г тс - г тс 943. 324027. 150.0 .3244 .2047

 т - т 735. 104970. 200.0 .4082 .4556

 Dн1 Dcp1 Dвт1 Dн2 Dcp2 Dвт2 Zст

 KНД .6834 .5635 .4100 .6047 .5635 .5190 7.

 ОK ВД .5373 .4913 .4406 .5373 .5165 .4949 7.

 TBД .6238 .5859 .5480 .6663 .6072 .5480 1.

 TНД .7112 .6562 .6012 .7792 .6902 .6012 1.

 TC .9684 .8957 .8229 1.1213 .9721 .8229 3.

Рис. 1.3 Схема проточной части двигателя

.2.2 Вывод

В результате формирования облика ГТД мы получили двухвальную схему газогенератора. Эффективная мощность двигателя реализуется посредством силовой турбины с частотой вращения 4800 об/мин.

Определены основные геометрические и динамические параметры КНД и КВД. Так в результате расчета мы определили что:

КНД имеет 7 ступеней и является средненагруженный (Нz=0.2229);

ТНД - 1-ступенчатая, среднезагруженная (μz=1.594);

КВД -7-ми ступенчатый, средненагруженный (Нz=0.2437);

ТВД - 1-ступенчатая средненагруженная (μz=1.545).

ТС - 3-х ступенчатая, , среднезагруженная (μz=4.5)

.3. Газодинамический расчет узлов и профилирование лопатки рабочего колеса первой ступени КВД

1.3.1. Газодинамический расчет осевого компрессора

В современных ГТД для осуществления процесса сжатия используются в основном многоступенчатые компрессоры. Это обусловлено их высокими КПД и возможностью изменения производительности и напорности этих компрессоров в очень широких пределах за счет изменения числа ступеней и их диаметральных размеров.

Предварительный газодинамический расчет осевого компрессора обычно представляет собой последовательный расчет всех его ступеней на среднем радиусе. При этом предполагается, что параметры потока на среднем радиусе ступени соответствуют осредненным параметрам ступени по высоте лопатки. Для улучшения этого соответствия в качестве среднего радиуса принимают среднегеометрический радиус ступени. Проектируемый компрессор 14-ти ступенчатый, двухкаскадный.

Расчет выполняем в соответствии с рекомендациями [4].

1.3.1.1 Выбор и обоснование исходных данных для расчета компрессора

Исходные данные:

Таблица 1.6

21189710 Дж/кг




42,11 кг/с

272997 Дж/кг


288.15К1,38




96258.75 ПаR287 Дж/кгК




0.845Ср1038 Дж/кгК





Nст

1

2

3

4

5

6

7

Hz, кДж/кг

21.2

29.4

31.7

30.4

28.09

25.8

23.12

Ca

175

176

176

175

173

170

165

0.8570.8850.910.91350.91350.890.8645









Nст

8

9

10

11

12

13

14

Hz, кДж/кг

35.69

40.45

43.02

42.94

40.32

37.1

33.48

Ca

170

172

170

165,7

161,4

157,1

152,9

0.85450.8710.8830.8840.8760.8670.8556








Как видно характер изменения коэффициента затраченного напора Нz по ступеням принимаем таким, чтобы наиболее нагруженными оказались средние ступени, а на входе и выходе из компрессора - разгруженными.

Результаты газодинамического расчета осевого компрессора представлены в таблице 1.7

Таблица 1.7

ГДР МОК Дата 0.10.30

Nк= 2 Kф1= 2 Kф2= 1 z1= 7 zк= 14 Kr= 1

Пк=21.000 Пк1= 5.050 G= 42.11 n1= 9863.4 n2= 13340.7 k= 1.4 R= 287.00

Tв=288.15 Pв= 96258.8 P1о= 94814.9 Sва= .985 Sна= .980 Sнв= .985 m= 00

Ncт Dк Dсp Dвт Doт КПД Mw1 Mc2

1 .7164 .5908 .4298 .6000 .8721 .8224 .7401

.6957 .5908 .4626 .6650 .8969 .8423 .7212

.6764 .5908 .4904 .7249 .9220 .8304 .6804

.6609 .5908 .5111 .7734 .9270 .8046 .6316

.6498 .5908 .5252 .8083 .9292 .7785 .5846

.6419 .5908 .5348 .8331 .9080 .7562 .5406

.6367 .5908 .5409 .8495 .8856 .7337 .4999

.5726 .5258 .4743 .8284 .8723 .7282 .6408

.5726 .5328 .4899 .8555 .8879 .7343 .6111

.5726 .5387 .5026 .8777 .9001 .7293 .5731

.5726 .5433 .5124 .8948 .9024 .7153 .5299

.5726 .5469 .5198 .9078 .8968 .6970 .4849

.5726 .5494 .5252 .9172 .8908 .6806 .4426

.5726 .5512 .5290 .9238 .8832 .6664 .4009 ст C1а С2а С1u C2u C1 C2 Uк

1 175.0 175.5 102.1 172.5 202.6 246.1 370.0

176.0 176.0 80.31 179.0 193.5 251.1 359.3

176.0 175.5 68.16 175.9 188.7 248.5 349.4

175.0 174.0 62.09 166.7 185.7 241.0 341.3

173.0 171.5 57.82 155.8 182.4 231.7 335.6

170.0 167.5 53.60 144.7 178.2 221.4 331.5

165.0 163.3 50.17 132.9 172.5 210.5 328.8

170.0 169.0 111.5 217.6 203.3 275.5 400.0

168.0 166.0 97.84 217.4 194.4 273.5 400.0

164.0 161.0 87.04 213.1 185.7 267.1 400.0

158.0 155.0 79.48 204.5 176.9 256.6 400.0

152.0 149.0 75.07 191.9 169.5 243.0 400.0

146.0 143.0 71.03 178.1 162.4 228.4 400.0

140.0 135.0 67.22 163.8 155.3 212.3 400.0 ст Hz Rк al1 al2 be1 be1л be2

.2120E+05 .5500 59.73 45.50 40.77 40.77 52.92

.2940E+05 .5750 65.47 44.51 38.06 38.06 54.38

.3170E+05 .6000 68.83 44.93 36.60 36.60 53.64

.3040E+05 .6250 70.47 46.22 35.76 35.76 51.51

.2809E+05 .6500 71.52 47.75 34.98 34.98 48.95

.2580E+05 .6750 72.50 49.17 34.06 34.06 46.24

.2312E+05 .7000 73.09 50.85 32.91 32.91 43.47

.3569E+05 .5500 56.73 37.84 33.61 33.61 48.00

.4045E+05 .5750 59.78 37.37 31.48 31.48 46.62

.4302E+05 .6000 62.04 37.07 29.55 29.55 44.33

.4032E+05 .6500 63.72 37.83 26.34 26.34 37.96

.3710E+05 .6750 64.06 38.76 25.02 25.02 34.73

.3348E+05 .7000 64.35 39.49 23.77 23.77 31.39 ст Пст Hтк Cак Kg Kн U1 U2

1.242 .1567 .4730 1.020 .9880 305.1 305.1

1.332 .2333 .4899 1.022 .9760 305.1 305.1

1.337 .2694 .5038 1.024 .9640 305.1 305.1

1.295 .2741 .5127 1.026 .9520 305.1 305.1

1.250 .2654 .5155 1.028 .9400 305.1 305.1

1.207 .2530 .5128 1.031 .9280 305.1 305.1

1.169 .2334 .5018 1.033 .9160 305.1 305.1

1.251 .2468 .4250 1.035 .9040 367.3 369.7

1.272 .2809 .4200 1.037 .9000 372.2 374.3

1.272 .2988 .4100 1.039 .9000 376.3 377.9

1.252 .2982 .3950 1.041 .9000 379.5 380.8

1.217 .2800 .3800 1.043 .9000 382.0 382.9

1.185 .2576 .3650 1.046 .9000 383.8 384.4

1.156 .2325 .3500 1.048 .9000 385.1 385.1 ст T2o T1 T2 P2o P3o P1 P2

308.4 268.5 279.5 .1220E+06 .1196E+06 .7332E+05 .8521E+05

336.5 290.5 306.4 .1625E+06 .1592E+06 .9618E+05 .1154E+06

366.8 319.5 337.3 .2173E+06 .2130E+06 .1318E+06 .1601E+06

395.9 350.3 368.1 .2814E+06 .2757E+06 .1801E+06 .2159E+06

422.7 380.0 397.1 .3516E+06 .3445E+06 .2375E+06 .2798E+06

447.4 407.5 424.0 .4243E+06 .4159E+06 .3015E+06 .3488E+06

469.5 433.2 448.3 .4960E+06 .4861E+06 .3697E+06 .4192E+06

503.6 449.7 467.3 .6113E+06 .5991E+06 .4094E+06 .4655E+06

542.2 485.5 506.5 .7774E+06 .7619E+06 .5244E+06 .6063E+06

583.4 525.8 549.3 .9890E+06 .9692E+06 .6808E+06 .7940E+06

624.4 568.4 592.9 .1238E+07 .1213E+07 .8817E+06 .1025E+07

662.9 610.7 634.7 .1506E+07 .1476E+07 .1119E+07 .1286E+07

698.4 650.3 673.5 .1785E+07 .1749E+07 .1377E+07 .1563E+07

730.4 686.9 708.9 .2063E+07 .2021E+07 .1646E+07 .1849E+07кк Dск Dвк Dок Tк Pк Cк

.5908 .5458 .8628 457.0 .4407E+06 161.5

.5521 .5308 .9270 722.3 .1941E+07 130.0

Пк = 21.000 КПД = .8504 Lк =462710.

Пк1= 5.050 КПД1= .8888 Lк1=189710.

Пк2= 4.222 КПД2= .8717 Lк2=273000.

По данным газодинамического расчета построены треугольники скоростей каждой ступени компрессора (рис. 1.4-1.7).

Рис 1.4 Треугольники скоростей компрессора на среднем радиусе

Рис 1.5 Треугольники скоростей компрессора на среднем радиусе

Также при газодинамическом расчете компрессора получено распределение основных параметров работы компрессора по ступеням, оно изображено на рис. 1.8

Рис.1.8 Распределение основных параметров работы компрессора по ступням

Рис.1.9 Распределение основных параметров работы компрессора по ступеням

1.3.1.2 Вывод

В результате расчёта компрессора на ЭВМ были получены геометрические параметры лопаточных венцов, проточной части компрессора, а также согласованы ступени по нагрузке и КПД. Также в этом расчете были уточнены частоты вращения РНД (n=9863.4 об/мин) и РВД (n=13340.7/мин).

Из результатов расчета видно, что обеспечены следующие условия:

> 250, уменьшение угла нежелательно, т.к. это приводит к снижению КПД ступени;

> 0.4, иначе увеличиваются потери в решетках ступени; числа  и  не превышают 0.8, что исключает появление волновых потерь.

.3.2. Газодинамический расчет турбины

Широкое применение осевых газовых турбин в авиационных газотурбинных двигателях обусловлено, прежде всего, их высокой энергоёмкостью и экономичностью. Именно эти преимущества газовых турбин наряду со сравнительной простотой и надежностью и определили доминирующее положение газотурбинных двигателей в авиации.

Современное состояние теории и практики проектирования осевых газовых турбин обеспечивает возможность надежного определения параметров турбины на расчетном режиме с достоверным учётом всех видов потерь механической энергии в её проточной части. При этом газодинамический расчет турбины усложняется, что приводит к значительному увеличению объёма вычислений. Поэтому мы выполним газодинамический расчет газовой турбины на ЭВМ. Расчет выполняется в соответствии с рекомендациями [6].

.3.2.1 Выбор и обоснование исходных данных

Обычно газодинамический расчет многоступенчатых турбин выполняют при заданной форме проточной части. Поскольку основные исходные данные для расчёта турбины получают в результате термогазодинамического расчёта двигателя, компрессора и согласования параметров его лопаточных машин, то к началу расчета проточная часть двигателя, а, следовательно, и его турбины уже известны.

Исходными данными для газодинамического расчета турбины на среднем радиусе при заданной форме её проточной части являются величины, получаемые как в результате предшествующих расчетов, так и оцениваемые по опыту проектирования турбин авиационных ГТД:

 кг/с

 = 1, = 1, = 3

 - давление заторможенного потока газа перед турбиной;

- температура заторможенного потока газа перед турбиной;

 - давление заторможенного потока газа за турбиной;

- массовый расход газа на входе в турбину, кг/с;

- относительный радиальный зазор;

,  - отношение скорости охлаждающего воздуха на выходе из отверстий к средней скорости газа в этом сечении и средней скорости газа в этом сечении к скорости газа за решеткой;

= 0.7- относительная высота щели выпуска охлаждающего воздуха;

, - относительные коэффициенты, определяющие кромочные потери на выходе из неохлаждаемых и охлаждаемых лопаток;


Gв - расход воздуха через двигатель, hm - механический КПД.

Мощность по ступеням свободной турбины распределяем таким образом, чтобы суммарная мощность по ступеням свободной турбины равнялась эффективной мощности нашего двигателя.

Эти величины получены в результате выполнения термогазодинамического расчета ГТУ и при согласовании параметров компрессоров и турбин двигателя.

Детальная прорисовка проточной части, выполненная с учетом основных особенностей турбины двигателя-прототипа, дает возможность получить следующие размеры

Таблица 1.8

Nст

D1cp, м

D2cp, м

h1, м

h2, м

1

0,581

0.6

0.042

.0483

2

0.665

0.709

0.0655

0.0732

3

0,905

0,909

0.085

0.091

4

0,929

0,934

0.109

0.114

5

0,955

0,965

0.137

0.144


Таким образом все необходимые данные для газодинамического расчета определены. Результаты расчета приведены в таблице 1.9.

Таблица 1.9

ГДР ГТ Дата 10. 3. 6

Исходные данные:

0 3104970.

.80 1375. .1944E+07 751.3 .3000E-02 .7000 .8000

.6000E-01 .1100

Кг=1.316 Rг= 290.0 Сpг=1207.0

Схема печати:Dc2 h1 h2 Cmca Cmрк nLст* Пi* Пi КПД ro ro1 T1w*

U1 C1 C1a C1u alf1 be1 L1 L1wC2 C2a C2u alf2 be2 L2 L2wT1* P1 P1* T2 T2* P2 P2*G2 sca bca alfu tca fI ZcaPa sрк bрк beu tрк psi Zрк

Тлса Тлрк sigmт= 1

.600 .420E-01 .483E-01 .180 .220 .133E+05

E+05 .292E+06 2.63 2.84 .851 .300 .213 .122E+04

. 665. 184. 639. 16.1 38.3 .992 .469

. 220. 204. -80.2 68.6 22.3 .361 .850

E+04 .136E+04 .959E+06 .175E+07 .110E+04 .112E+04 .685E+06 738E+06

.6 40.0 .348E-01 .572E-01 37.5 .424E-01 .921 43

E+05 .103E+05 .250E-01 .270E-01 67.6 .186E-01 .954 101

E+04 .106E+04 164. т= 2

.709 .655E-01 .732E-01 .120 .140 .986E+04

E+04 .201E+06 2.12 2.31 .899 .320 .200 .102E+04

. 552. 199. 515. 21.1 49.1 .908 .452

. 218. 208. -65.2 72.6 25.8 .389 .822

. .112E+04 .424E+06 .698E+06 936. 955. .319E+06 .348E+06

.0 40.0 .395E-01 .567E-01 44.2 .410E-01 .950 51

E+05 .561E+04 .295E-01 .339E-01 60.7 .282E-01 .963 79

E+04 973. 170. т= 3

.909 .850E-01 .910E-01 .120 .140 .480E+04

E+04 .906E+05 1.46 1.56 .903 .300 .189 911.

. 387. 167. 349. 25.6 54.0 .689 .377

. 179. 173. -47.9 74.5 32.0 .333 .595

. 955. .257E+06 .339E+06 868. 881. .224E+06 .238E+06

.0 40.0 .539E-01 .770E-01 44.5 .605E-01 .958 47

E+05 .365E+04 .379E-01 .429E-01 62.0 .402E-01 .965 71

. 861. 63.2 т= 4

.934 .109 .114 .120 .140 .480E+04

E+04 .891E+05 1.50 1.62 .906 .305 .165 837.

. 387. 174. 345. 26.7 57.2 .718 .394

. 190. 186. -35.3 79.3 34.6 .368 .625

. 881. .172E+06 .232E+06 793. 808. .147E+06 .159E+06

.0 40.0 .550E-01 .790E-01 44.1 .621E-01 .962 47

E+05 .480E+04 .389E-01 .443E-01 61.4 .413E-01 .966 71

. 787. 83.3 т= 5

.965 .137 .144 .120 .140 .480E+04

E+04 .856E+05 1.53 1.69 .905 .310 .141 765.

. 385. 188. 335. 29.3 63.2 .745 .420

. 203. 202. -20.7 84.2 37.5 .413 .661

. 808. .112E+06 .155E+06 720. 737. .944E+05 .104E+06

.0 40.0 .562E-01 .822E-01 43.1 .639E-01 .964 47

E+05 .416E+04 .402E-01 .470E-01 58.8 .439E-01 .968 69

. 715. 109.

Тго=1375.0 Рго= .1944E+07 Сг=104.4 Тг=1370.5 Рг= .1918E+07с= .581 h1= .0420

По результатам газодинамического расчета турбины построены треугольники скоростей для каждой ступени турбины, также получены графики распределения основных параметров потока по ступеням турбины (рис.1.10-1.13).

Рис.1.11 Изменение параметров работы турбины по ее ступеням

Рис.1.12 Изменение параметров потока по ступеням турбины

Рис.1.13 Схема проточной части турбины

.3.2.2 Вывод

В результате расчёта турбины на ЭВМ определились окончательные размеры проточной части. Также были согласованы нагрузки на ступени для привода компрессора, а также, для реализации необходимой мощности свободной турбины с необходимой частотой вращения. Все контролируемые параметры лежат в допустимых пределах:

- для отсутствия волновых потерь в решетках.

 - угол на выходе из рабочего колеса в абсолютном движении. Принимается ближе к 90 град. для обеспечения осевого выхода потока в переходные каналы и выходные патрубки, чем обеспечивается отсутствие вихреобразований и путевых потерь.

.3.3 Профилирование рабочей лопатки первой ступени КВД

Для выбора закона крутки и расчета параметров потока по высоте лопатки дозвуковой с использованием ПЭВМ удобно использовать алгоритм, описание которого приведено в пособии [13].

При расчете изменения параметров потока по высоте лопатки используется условие радиального равновесия.

Исходными данными для программы oсk.exe являются газодинамические и кинематические параметры профилируемой ступени на среднем радиусе, полученные в результате газодинамического расчета многоступенчатого осевого компрессора.

Графическое сопровождение программы позволяет просмотреть вид треугольников скоростей ступени в пяти сечениях по высоте лопатки.

Профилирование рабочей лопатки ступени по программе oсk.exe производится в диалоговом режиме с последующей записью полученных результатов в файл исходных данных (gfrk.dat) программы графического изображения решеток профилей осевой компрессорной ступени gfrk.exe с возможностью просмотра получаемых результатов.

Исходные данные программы oсk.exe и результаты расчетов по определению параметров потока в пяти сечениях по высоте лопатки и по профилированию рабочей лопатки записываются в файл oсk.rez.

1.3.3.1 Расчет параметров профиля решетки и построение профилей с помощью ЭВМ

Как отмечалось выше основными исходными данными для профилирования рабочей лопатки являются результаты расчета многоступенчатого осевого компрессора на среднем радиусе.

В таблице 1.10 приведено содержание файла исходных данных oсk.dat программы

Таблица 1.10

 29 10 01 1 03 1.380 287.00 ( дата, M, Ks, kг, Rг )

 1.251 400.000 .247 .872 .980 1.000 .828 .842

 0.000 170.000 469.500 496000. 111.500 0.572 .904

 0.967 1.046

 _ _ _ _

 Пi* Uк Hтвт КПД* Sна D21 d1вт d2вт

 m С1асp Т1* P1* С1uсp D1к Кн

 W1к/W1сp W1вт/W1сp

 Тип ступени : 1 - дозвуковая ступень;

 ( M ) 2 - свеpхзвуковая ступень .

 Закон кpутки : 1 - пеpвая ступень без ВНА ( С1u=0., А=В=D=0.);

 ( Ks ) 2 - " свободный вихpь "(на входе) пpи заданном Нт(r);

 3 - " твеpдое тело " (на входе) пpи заданном Нт(r);

 4 - Rок=const пpи заданном Нт(r) ;

 5 - по значениям W1к/W1сp и W1вт/W1сp.


Этот файл содержит следующие параметры:

Пi* - степень повышения полного давления в ступени ;к - окружная скорость на наружном диаметре рабочего колеса;

Нтвт - коэффициент теоретического напора ступени у втулки;

КПД* - изоэнтропический КПД ступени по заторможенным параметрам ;на - коэффициент восстановления полного давления в направляющем аппарате ступени ; - отношение наружных диаметров рабочего колеса ступени на входе и выходе, D2к/D1к ;вт - относительный диаметр втулки на входе в рабочее колесо ступени ;вт - относительный диаметр втулки на выходе из рабочего колеса ступени ;- степень двухконтурности ;

С1а - расходная составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо ;* - полная температура на входе в рабочее колесо ;

Р1* - полное давление на входе в рабочее колесо ;

С1u - окружная составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо ;к - наружный диаметр рабочего колеса на входе ;

Кн - коэффициент уменьшения теоретического напора в ступени.

Результаты расчета кинематических параметров потока и параметров решетки профилей занесены в таблицу 1.11.

Таблица 1.11

 ГДР СТ.ОК ДАТА 29.10. 1

 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 M= 1 KR= 3 КГ= 1.380 RГ= 287.00

 1.251 400.00 .247 .872 .980 1.000 .828 .842

 .000 170.00 469.50 496000. 111.50 .572 .904

 .967 1.046 А= .304 B= .000 D= .000

 ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТ. ОК

 PI1=1.251 PI2=1.251 HZ1=35694. HZ2=35694. T01=503.75 T02=503.75

 P01= 620496. P02= 620496.

( GB= 44.392 ROK= .5500 HTO= .2468 WC= 13355.6 )

 Таблица 1

 N U CU CA T0 T P0 P

 ROTH RO C W LC LW AL BE

 11 400.00 121.45 155.76 469.50 450.78 496000. 427881.

 1.0000 3.3073 197.52 319.14 .4997 .7826 52.055 29.214

 12 383.00 116.29 163.45 469.50 450.20 496000. 425855.

 .9575 3.2959 200.60 312.81 .5075 .7690 54.569 31.502

 13 365.95 111.12 170.50 469.50 449.63 496000. 423919.

 .9149 3.2851 203.51 306.61 .5148 .7556 56.908 33.785

 14 348.72 105.89 177.03 469.50 449.09 496000. 422057.

 .8718 3.2746 206.28 300.52 .5218 .7423 59.116 36.093

 15 331.20 100.56 183.13 469.50 448.56 496000. 420261.

 .8280 3.2645 208.93 294.50 .5285 .7291 61.227 38.451

 * * * * * * * *

 21 400.00 220.17 141.51 503.75 470.89 633159. 495588.

 1.0000 3.6671 261.72 228.84 .6392 .5632 32.731 38.199

 22 383.55 219.07 156.71 503.75 468.94 633159. 488201.

 .9589 3.6274 269.35 227.19 .6578 .5605 35.578 43.614

 23 367.75 217.94 170.50 503.75 467.02 633159. 480953.

 .9194 3.5883 276.71 226.96 .6758 .5610 38.036 48.696

 24 352.33 216.87 183.26 503.75 465.07 633159. 473729.

 .8808 3.5492 283.93 227.89 .6934 .5643 40.198 53.529

 25 337.11 215.93 195.26 503.75 463.09 633159. 466430.

 .8428 3.5095 291.12 229.80 .7110 .5700 42.122 58.177

 * * * * * * * *

 81 400.00 121.45 155.76 469.50 450.78 496000. 427881.

 1.0000 3.3073 197.52 319.14 .4997 .7826 52.055 29.214

 82 383.55 116.46 163.21 469.50 450.21 496000. 425920.

 .9589 3.2963 200.50 313.01 .5072 .7695 54.490 31.428

 83 367.75 111.66 169.79 469.50 449.69 496000. 424119.

 .9194 3.2862 203.21 307.26 .5141 .7570 56.669 33.545

 84 352.33 106.98 175.71 469.50 449.20 496000. 422439.

 .8808 3.2768 205.72 301.78 .5204 .7451 58.666 35.609

 Таблица 2

 Профилирование лопатки РК по радиусу

 Паpаметp Сечение по высоте лопатки

 1(пеp) 2 3(сp) 4 5(вт)

 ro 1.000 .9589 .9194 .8808 .8428

 b 27.10 27.10 27.10 27.10 27.10

 t 26.82 25.72 24.66 23.62 22.60

 b/t 1.010 1.054 1.099 1.147 1.199

 Cm .0400 .0520 .0640 .0760 .0880

 i .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

 del 4.463 5.589 6.438 7.068 7.521

 dbe 8.986 12.19 15.15 17.92 20.52

 tet 13.45 17.77 21.59 24.99 28.04

 be1l 29.21 31.43 33.54 35.61 37.65

 be2l 42.66 49.20 55.13 60.60 65.70

 Число pабочих лопаток - 67. шт.


По результатам расчета кинематических параметров потока были определены геометрические параметры решетки профилей рабочего колеса первой ступени КВД. Построены соответствующие графики изменения параметров потока в пяти сечениях по высоте лопатки и решетки профилей для каждого из пяти сечений(рис. 1.14)

Рис.1.14. Решетка профилей рабочего колеса первой ступени КВД

Рис.6 Изменение Са и Сu по высоте лопатки

Рис.6 Изменение углов α и β в межлопаточном канале по высоте лопатки

1.2 Вывод

При профилировании лопатки первой ступени КВД были определены геометрические размеры решетки профилей, которые обеспечивают получение заданных планов скоростей на различных радиусах при отсутствии волновых потерь, так как < . Значения густоты решетки во всех сечениях лежат в допустимом интервале.

1.4 Выводы

В данном разделе дипломного проектирования была выполнена расчетно-теоретическая часть. В ходе проведения расчетов были получены следующие параметры:

Температура газа - Тг*=1375 К;

Удельная мощность двигателя - Neуд=249.9 кВт*с/кг;

Удельный расход топлива - Се=0.1999 кг/(кВт*ч).

Расход воздуха на входе в компрессор Gв=42,11 кг/с;

Таким образом мы получили двигатель с меньшим удельным расходом топлива и большей удельной мощностью, чем двигатель-прототип.

В результате проведения согласования компрессора и турбины мы разработали 2-х каскадную схему двигателя со свободной турбиной (nтс=4800об/мин). Определены основные геометрические параметры КНД и КВД. КНД имеет 7 ступеней и является средненагруженным (Нz=0.2229);

ТНД - 1-ступенчатая, среднезагруженная (μz=1.594); КВД - 7-ми ступенчатый, средненагруженный (Нz=0.2437); ТВД - 1-ступенчатая средненагруженная (μz=1.545); ТС - 3-х ступенчатая, , среднезагруженная (μz=4.5).

Далее в газодинамическом расчете компрессора были уточнены частоты вращения РВД и РНД - nнд=9863.4 об/мин, nвд=13340.7 об/мин. Также была окончательно определена геометрия проточной части компрессора. Обеспечено выполнение следующих условий:

> 250, уменьшение угла нежелательно, т.к. это приводит к снижению КПД ступени;

> 0.4, иначе увеличиваются потери в решетках ступени; числа  и  не превышают 0.7952, что исключает появление волновых потерь.

При расчете турбины определили окончательные размеры проточной части, а также определили коэффициенты загрузки ступеней. Выполнены следующие условия:

- для отсутствия волновых потерь в решетках.

 - угол на выходе из рабочего колеса в абсолютном движении.

При профилировании лопатки первой ступени КВД были определены геометрические размеры решетки профилей, которые обеспечивают получение заданных планов скоростей на различных радиусах при отсутствии волновых потерь, так как < . Значения густоты решетки во всех сечениях лежат в допустимом интервале.

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

.1 Составление краткого технического описания узлов ГТД

Проектируемый двигатель состоит из дозвукового входного устройства, двухкаскадного газогенератора (каскада низкого давления и каскада высокого давления), свободной (силовой) турбины, выходного патрубка.

Компрессор

Компрессор двигателя- осевой, двухкаскадный, четырнадцатиступенчатый, состоит из околозвукового компрессора низкого давления (КНД) и дозвукового компрессора высокого давления (КВД).

КНД расположен в передней части двигателя за пылезащитным устройством (ПЗУ) и предназначен для сжатия воздуха, поступившего из ПЗУ в двигатель.

Дальнейшее сжатие воздуха и подача его в камеру сгорания происходят в компрессоре высокого давления (КВД) который расположен за промежуточным корпусом.

Роторы КНД и КВД приводятся во вращение своими турбинами и связаны между собой только газодинамической связью. Для настройки режима работы каскада низкого давления двигателя имеется входной направляющий аппарат (ВНА КНД) с поворотными лопатками.

Для согласования работы каскадов двигателя лопатки ВНА КВД также выполнены поворотными.

Для обеспечения газодинамической устойчивости двигателя на запуске и малой частоте вращения роторов КНД и КВД предусмотрены клапаны перепуска воздуха (КПВ).

Корпус промежуточный

Корпус промежуточный, установленный между КНД и КВД, один из самых основных элементов силовой схемы двигателя, а также предназначен для установки агрегатов двигателя и приводов к ним и образует воздушный тракт двигателя на своём участке.

Корпус промежуточный имеет форму двух усечённых конусов, внутреннего и наружного, соединённых между собой восемью силовыми стойками-рёбрами.

Между наружным и внутренним конусами образован канал воздушного тракта двигателя, разделённый на восемь отсеков.

К корпусу промежуточному крепятся :

·   спрямляющий аппарат 6 ступени КНД;

·   корпус КНД;

·   корпус КВД;

·   входной направляющий аппарат КВД;

·   корпус передней опоры ротора ВД.

Стойки - рёбра выполнены полыми и сообщаются с внутренней полостью промежуточного корпуса. Через две стойки - рёбра проходят рессоры, передающие вращение к приводам, установленном в верхнем и нижнем коробочных приливах.

Полости других двух стоек - рёбер служат для слива масла из полости верхнего коробчатого прилива в полость центрального привода. В ещё одной стойке - ребре выполнено отверстие для замера давления воздушно-масляной смеси в полости центрального привода. В следующей стойке-ребре имеется канал, через который проходит трубопровод системы замера давления воздуха перед безрасходным уплотнением подшипника КВД. В специально выполненном канале ещё одной стойке - ребре размещены электропровода от датчиков частоты вращения роторов НД и ВД.

На наружной поверхности промежуточного корпуса ниже верхнего коробчатого прилива имеются бобышки со шпильками под кронштейн для установки на них электромагнитных клапанов пускового топлива, противообледенительной системы ВНА КНД и сигнализатора открытого положения клапанов перепуска воздуха КНД; фланец установки узла фиксации ВНА КНД с лимбом.

На наружном конусе в верхней и нижней частях имеются коробчатые приливы с фланцами для установки агрегатов. На верхнем коробчатом приливе расположены фланцы для установки следующих агрегатов: топливного регулятора, блока насосов, центробежного суфлёра, воздушного стартера, датчика частоты вращения ротора ВД, сигнализатора перегрева воздушно-масляной смеси в полости верхнего коробчатого прилива, а также имеются бобышки со шпильками для установки двух агрегатов зажигания.

На нижнем коробчатом приливе расположены фланцы для установки следующих агрегатов и устройств: воздухоотделителя, маслоагрегата, поддона с стружкосигнализатором и двух термостружкосигнализаторов.

Компрессор высокого давления (КВД)

Компрессор высокого давления (КВД) − осевой, семиступенчатый, состоит из входного направляющего аппарата (ВНА), ротора, статора, клапанов перепуска воздуха с кожухами и подшипникового узла передней опоры ротора ВД.

Конструкция ВНА позволяет производить регулировку углов установки лопаток на собранном неработающем двигателе в стендовых условиях. В эксплуатации регулировка не допускается.

Ротор КВД барабанно-дисковой конструкции.

Шариковый подшипник передней опоры ротора установлен в упругом стакане с жестким ограничителем хода.

ВНА расположен в передней части КВД. Консольные лопатки ВНА с жёстко прикреплёнными к их цапфам рычагами помещены в разъёмное кольцо, которое крепится к промежуточному корпусу. Рычаги пазами соединены со штифтами на синхронизирующем кольце, которое катками центрируется относительно беговой дорожки на рабочем кольце ступени.

Синхронизирующее кольцо приводным штырём связано с валиком привода, который центрируется в промежуточном корпусе и в корпусе-лимбе, закреплённом на промежуточном корпусе. На хвостовике валика привода крепится рычаг-стрелка.

При сборке ВНА лопатки устанавливаются под определённым (расчётным) углом в трактовом канале промежуточного корпуса, при этом корпус-лимб устанавливают таким образом, чтобы отметка "0" на лимбе совпадала с риской на стрелке.

При необходимости изменить угол установки лопаток ВНА с помощью регулировочных винтов стрелка устанавливается на требуемый угол по шкале корпуса-лимба по технологии, исключающей влияние зазоров в соединениях узла на угол установки лопаток. При этом валик привода проворачивает в окружном направлении синхронизирующее кольцо поворота, а катки прокатываются по опорной поверхности рабочего кольца ступени и посредством рычагов поворачивают на требуемый угол все лопатки ВНА.

Ротор КВД

Ротор КВД − семиступенчатый, барабанно - дисковой конструкции, состоит из секции ротора 1…5 ступеней, рабочих колёс 6 и 7 ступеней, проставки, переднего вала и заднего вала.

Секция ротора 1…5 ступеней, рабочее колесо 6 ступени, проставка и рабочее колесо 7 ступени, передний и задний валы крепятся между собой болтами. Передний вал крепится фланцем к диску 6 ступени и проставке, а хвостовиком опирается на шарикоподшипник передней опоры ротора. На переднем валу установлены детали передней опоры ротора и ведущая шестерня для привода агрегатов двигателя. Задний вал крепится передним фланцем к диску 7 ступени и проставке.

Каждое рабочее колесо ротора состоит из диска и рабочих лопаток, установленных в ободе диска с помощью замков типа «ласточкин хвост». От осевого перемещения лопатки зафиксированы пластинчатыми замками. Диски 1…5 ступеней соединены электронно-лучевой сваркой.

Статор КВД

Статор КВД состоит из корпуса, в котором установлены шесть венцов направляющих аппаратов и семь рабочих колец. Корпус КВД - цельный, с двумя фланцами по торцам. На переднем фланце, которым корпус крепится к промежуточному корпусу, выполнены отверстия под шпильки крепления и одно отверстие вверху в вертикальной плоскости для штифта, фиксирующего угловое положение корпуса КВД относительно промежуточного корпуса. На заднем фланце выполнен ряд отверстий под винты крепления к корпусу камеры сгорания и одно отверстие, в которое запрессовывается штифт, фиксирующий окружное положение набора рабочих колец 5,6 и 7 ступеней, НА 4,5 и 6 ступеней и корпуса камеры сгорания.

В первом ряду (считая от переднего фланца) расположены:

пять фланцев отбора воздуха из-за третьей ступени КВД, из них три фланца

отбора на охлаждение турбины;

фланец отбора воздуха на противообледенительную систему двигателя;

фланец отбора воздуха для уравновешивания осевой силы свободной турбины;

Во втором ряду расположены:

два фланца отбора воздуха из-за 4 ступени КВД на нужды вертолёта;

один фланец отбора воздуха из-за 4 ступени КВД на автомат управления клапанами (АУК) перепуска воздуха из КНД;

один фланец отбора воздуха на нужды ПОС двигателя;

три фланца для установки клапанов перепуска воздуха из 4 ступени КВД.

Рабочие кольца всех ступеней- цельные, НА всех ступеней имеют разъёмы в диаметральных плоскостях. К внутренним кольцам НА приварены по два лабиринтных кольца межступенчатых воздушных уплотнений. Рабочие кольца и кольца межступенчатых воздушных уплотнений имеют мягкие, легко прирабатываемые покрытия.

Передняя опора ротора КВД

Передняя опора ротора КВД - шариковый, радиально-упорный подшипник с разрезной внутренней обоймой. Наружная обойма подшипника установлена в упругом стакане типа «беличье колесо» для демпфирования колебаний ротора. Фланец упругого стакана крепится к промежуточному корпусу. Смазка шарикоподшипника осуществляется тремя форсунками, установленными на корпусе центрального привода. Проникновению масла в полость ротора препятствуют два контактных радиально-торцовых уплотнения и одно лабиринтное.

Камера сгорания (КС)

Камера сгорания − кольцевого типа, предназначена для подогрева воздуха после сжатия его в компрессоре за счёт сгорания в ней топлива и для получения заданной температуры газов на входе в турбину.

КС расположена между КВД и сопловым аппаратом турбины высокого давления(ТВД) , состоит из корпуса, диффузора со спрямляющим аппаратом (СА) ступени КВД и жаровой трубы.

КС диффузором сцентрирована по рабочему кольцу ступени КВД и соединена передним фланцем корпуса с корпусом КВД болтовым соединением.

Подогрев воздуха в КС осуществляется за счёт тепла, выделяющегося при сгорании в её жаровой трубе тонкораспыленного топлива, непрерывно впрыскиваемого 24 рабочими форсунками, установленными в завихрители и закреплёнными на корпусе.

Воспламенение топлива в КС при запуске осуществляется двумя пусковыми воспламенителями, установленными в её корпусе.

Корпус КС состоит из кожуха, переднего и заднего фланцев.

На корпусе КС имеются: 24 фланца для крепления рабочих топливных форсунок; два фланца для крепления пусковых воспламенителей; два фланца с окнами для осмотра жаровой трубы; фланец отбора воздуха из-за КВД на нужды ГТУ; бобышка отбора воздуха из-за КВД для регулятора частоты вращения свободной турбины (синхронизация мощности спарки двигателей) и для клапана системы сигнализации помпажа; бобышка отбора воздуха для сигнализатора помпажа; бобышка отбора воздуха для топливного регулятора и датчика Πк∑; три бобышки отбора воздуха для двух автоматов управления клапанами перепуска воздуха из компрессора и четыре бобышки для их крепления; две резервные бобышки; две бобышки для крепления дренажного бачка; две бобышки для крепления датчика перегрева; две бобышки для крепления электропроводки от колодки термопар; фланец для крепления клапана перепуска воздуха из-за КВД.

Диффузор со спрямляющим аппаратом (СА) ступени КВД установлен в корпусе КС и закреплён на его переднем фланце. Диффузор состоит из наружной и внутренней оболочек, соединённых между собой спрямляющими лопатками.

К фланцу диффузора прикреплён внутренний кожух СА ТВД.

Жаровая труба − кольцевого типа, подвешена в кольцевом канале корпуса КС на 24 полых втулках, окружающих рабочие топливные форсунки и фиксирующихся по отверстиям в обтекателе. Своим наружным и внутренним кожухами жаровая труба опирается на СА ТВД.

Наружный и внутренний кожухи жаровой трубы выполнены из отдельных, соединённых между собой, колец и снабжены соплами. Спереди кожухи соединены между собой лобовым кольцом и обтекателем. В лобовом кольце установлены 24 завихрителя с центральными отверстиями для установки рабочих топливных форсунок.

Турбина

Турбина двигателя − осевая, реактивная, пятиступенчатая, преобразует энергию газового потока в механическую энергию вращения компрессоров двигателя, приводов агрегатов и нагнетателя. Турбина расположена непосредственно за камерой сгорания. К турбине присоединяется диффузорное выходное устройство с промежуточным поджатием воздуха, которое служит для уменьшения давления за турбиной, т.е. для повышения теплоперепада на турбине и, соответственно, для увеличения мощности двигателя. В нашей силовой установке турбина состоит из одноступенчатой турбины высокого давления(ТВД), одноступенчатой турбины низкого давления (ТНД), каждая из которых включает статор и ротор, и трехступенчатой свободной турбины, которая состоит из статора, ротора и корпуса опор ротора свободной турбины. Ротор ТВД и ротор КВД образуют ротор высокого давления(ВД). Ротор ТНД и ротор КНД образуют ротор низкого давления (НД). Ротор свободной турбины соединён с ротором нагнетателя.

Опорами роторов ТВД и ТНД, являющимися задними опорами роторов ВД и НД, служат роликоподшипники; опорами ротора свободной турбины − шарикопод- шипник и роликоподшипник.

Все подшипники охлаждаются и смазываются маслом под давлением. Для предотвращения нагрева подшипников горячими газами их масляные полости изолированы радиально-торцовыми контактными уплотнениями.

Все опоры роторов турбин имеют устройства для гашения колебаний роторов, возникающих при работе двигателя, − масляные демпферы опор роторов.

Роторы турбин не имеют механической связи между собой, их взаимодействие обусловлено газодинамической связью.

Турбина высокого давления (ТВД)

Турбина высокого давления (ТВД) − осевая, реактивная, одноступенчатая, предназначена для преобразования части энергии газового потока, поступающего из КС, в механическую энергию, используемую для вращения ротора КВД и всех приводных агрегатов двигателя.

ТВД расположена за КС, её статор крепится к корпусу и конической балке корпуса КС, опора ротора смонтирована в статоре ТНД (корпусе опор турбин), а ротор крепится к валу КВД.

ТВД состоит из статора и ротора.

Статор − сопловой аппарат (СА) ТВД, включает наружный корпус, внутренний корпус и сектора сопловых лопаток между ними. Наружный корпус имеет проставки с сотовыми элементами лабиринтного уплотнения.

Сектор сопловых лопаток состоит из лопаток, охлаждаемых воздухом, отбираемым из полости вторичного потока КС, наружной и внутренней полок и имеет выступ для фиксации сектора в окружном направлении; в осевом направлении сектор фиксируется буртиком, а в радиальном − пояском. Бурт и поясок входят в соответствующие пазы во внутреннем и наружном корпусах.

К внутреннему корпусу болтами крепятся кольца с сотовыми элементами лабиринтных уплотнений.

Наружный корпус центрируется относительно корпуса КС призонными болтами и крепится к нему болтовыми соединениями, состоящими из болтов и самоконтрящихся гаек; внутренний корпус крепится к конической балке КС болтами.

Ротор ТВД включает рабочее колесо (РК) и задний вал. РК состоит из диска имеющего на ободе ёлочные пазы, в каждом из которых крепятся левая и правая рабочие лопатки, образующие лопаточный венец и зафиксированные контровками, а также гребешков лабиринтных уплотнений. Правая и левая лопатки охлаждаются воздухом, подводимым из-за КВД. Каждая охлаждаемая рабочая лопатка имеет бандажную полку с гребешком лабиринтного уплотнения, полку хвостовика и хвостовик ″ёлочного типа″.

На заднем валу ТВД, имеющем гребешки лабиринтных уплотнений, смонтированы детали радиально-торцового контактного уплотнения и внутреннее кольцо роликоподшипника, а внутри вала − уплотнительное кольцо.

Ротор ТВД крепится к заднему валу КВД стяжными болтами, имеющими призонные участки для центрирования РК относительно заднего вала КВД и передачи крутящего момента, и призонные участки для центрирования заднего вала ТВД относительно РК

.2 Расчет на прочность наиболее нагруженных деталей узла (диск, лопатка РК)

.2.1 Расчет на прочность лопатки первой ступени компрессора высокого давления

Рабочие лопатки осевого компрессора являются ответственными деталями газотурбинного двигателя, от надежной работы которых зависит надежность работы двигателя в целом.

При работе газотурбинного двигателя на рабочие лопатки действуют статические, динамические и температурные нагрузки, вызывая сложную картину напряжений.

Расчет на прочность пера лопатки выполняем, учитывая воздействие только статических нагрузок. К ним относятся центробежные силы масс лопаток, которые появляются при вращении ротора, и газовые силы, возникающие 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, газовых сил слабозакрученных рабочих лопаток компрессора малы, и ими пренебрегаем.

Напряжения растяжения от центробежных сил являются наиболее существенными.

Напряжения изгиба обычно меньше напряжений растяжения, причем при необходимости для уменьшения изгибающих напряжений в лопатке от газовых сил ее проектируют так, чтобы возникающие изгибающие моменты от центробежных сил были противоположны по знаку моментам от газовых сил и, следовательно, уменьшали последние.

Исходные данные

1.      Материал лопатки: ВТ3-1;

2.      Длина лопатки =0.0983 м;

.        Радиус корневого сечения =0,2371 м;

.        Объем бандажной полки =0 м;

.        Хорда профиля сечения пера

         в корневом сечении =0.0271м;

         в среднем сечении =0.0271 м;

         в периферийном сечении =0.0271 м;

.        Максимальная толщина профиля

         в корневом сечении =0.00261 м;

         в среднем сечении =0.00197м;

         в периферийном сечении =0.00124м;

.        Максимальная стрела прогиба профиля

         в корневом сечении =0.00285 м;

         в среднем сечении =0.00143 м;

         в периферийном сечении =0.0003 м;

.        Угол установки профиля

         в корневом сечении =1.004рад;

         в среднем сечении =0,795 рад;

         в периферийном сечении =0.511 рад;

9.      Интенсивность газовых сил на среднем радиусе в окружном направлении

 

10. Интенсивность газовых сил в осевом направлении


В формулах:  - радиус сечения; - число лопаток;  - плотность газа - осевая составляющая скорости газа перед лопаткой; - окружные составляющие скорости газа перед и за лопаткой;- давление газа (воздуха) перед и за лопаткой.

=1351 Н/м, =1708 Н/м

11. Частота вращения рабочего колеса =13340,7 об/мин;

. Плотность материала лопатки =4530 кг/м;

. Предел длительной прочности =650 МПа;

Согласно нормам прочности минимальный запас по статической прочности профильной части рабочей лопатки компрессора должен быть не менее 1,5.

После расчета лопатки на прочность на ЭВМ были получены значения действующих напряжений и запасов статической прочности в трех точках, наиболее удаленных от центра тяжести. Результат расчета представлен в табл. 2.1 и на рис.2.1-2.2.

Таблица 2.1

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ПЕРА

РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА (ТУРБИНЫ)

-------------------------------------------------------------------------------

ВЫПОЛНИЛ(А) : Муженский А.В

УЗЕЛ ДВИГАТЕЛЯ: компрессор МАТЕРИАЛ: ВТ3-1

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:= 1.000000 CL= 5.790000E-02 RK= 2.077500E-01 RP= 2.625000E-01

VP= 0.000000E+00 UPP= 0.000000E+00 APP= 0.000000E+00= 14412.000000 AA= 9.000000E-03 AU= 1.000000E-02 PU= 1719.000000= 1492.000000 PAP= 1919.000000 RO= 4530.000000= 3.200000E-02 3.200000E-02 3.200000E-02= 2.610000E-03 1.970000E-03 1.240000E-03= 2.849000E-03 1.431000E-03 3.300000E-04= 1.035000 7.954000E-01 5.111000E-01

SPT= 650.000000 650.000000 650.000000 650.000000

.000000 650.000000 650.000000 650.000000

.000000 650.000000 650.000000

Результаты расчета на прочноcть пера лопаткиX F Jmin Spakt SизгA SизгB SизгCm^2 m^4 МПа МПа МПа МПа

1 .00000 .579E-04 .511E-10 102.728 87.849 93.309 -78.498

.00579 .555E-04 .334E-10 94.589 92.680 96.781 -82.762

.01158 .527E-04 .271E-10 86.523 83.657 86.494 -78.619

.01737 .498E-04 .225E-10 78.159 71.742 73.502 -71.681

.02316 .468E-04 .186E-10 69.370 58.408 59.313 -62.693

.02895 .437E-04 .153E-10 60.051 44.616 44.904 -52.082

.03474 .405E-04 .124E-10 50.087 31.231 31.141 -40.264

.04053 .373E-04 .966E-11 39.336 19.124 18.879 -27.788

.04632 .341E-04 .717E-11 27.606 9.216 8.998 -15.521

.05211 .308E-04 .486E-11 14.627 2.490 2.400 -5.064

.05790 .275E-04 .268E-11 .000 .000 .000 .000SсумA SсумB SсумC Ka Kb Kc

[МПa] [МПa] [МПa]

190.576 196.036 24,23 3.411 3.316 26.827

187.269 191.370 11.827 3.471 3.397 54.960

170.180 173.017 7.904 3.819 3.757 82.235

149.901 151.661 6.479 4.336 4.286 100.331

127.778 128.683 6.678 5.087 5.051 97.339

104.668 104.955 7.969 6.210 6.193 81.563

81.318 81.228 9.823 7.993 8.002 66.173

58.460 58.215 11.547 11.119 11.165 56.289

36.822 36.604 12.085 17.653 17.758 53.786

17.117 17.028 9.564 37.974 38.173 67.966

.000 .000 .000************************

Полученные значения запасов прочности во всех сечениях удовлетворяют нормам прочности и являются даже немного завышенными, но так как двигатель является стационарной установкой и в результате этого лопатки особенно сильно подвержены эрозионному износу в течении длительного времени (ресурса) завышенный запас прочности необходим.

Рис. 2.1 Изменение напряжений по сечениям

Рис.2.2 Изменение запасов прочности по сечениям

Из графиков видно, что запас прочности лопатки в самом напряженном месте соответствует требованиям (для рабочих лопаток компрессора K - не менее 1,5) K = 4,95.

.2.2 Расчет на прочность диска рабочего колеса первой ступени турбины высокого давления

Диски компрессора - это наиболее ответственные элементы конструкций газотурбинных двигателей. От совершенства конструкций дисков зависит надежность, легкость конструкций авиационных двигателей в целом.

Диски находятся под воздействием инерционных центробежных сил, возникающих при вращении от массы рабочих лопаток и собственной массы дисков. Эти силы вызывают в дисках растягивающие напряжения. От неравномерного нагрева дисков турбин возникают температурные напряжения, которые могут вызывать как растяжения, так и сжатие элементов диска.

Кроме напряжений растяжения и сжатия, в дисках могут возникать напряжения кручения и изгиба. Напряжения кручения появляются, если диски передают крутящий момент, а изгибные - возникают под действием разности давлений и температур на боковых поверхностях дисков, от осевых газодинамических сил, действующих на рабочие лопатки, от вибрации лопаток и самих дисков.

Из перечисленных напряжений наиболее существенными являются напряжения от центробежных сил собственной массы диска и лопаточного венца, а также температурные (в случае неравномерного нагрева диска). Напряжения изгиба зависят от толщины диска и способа соединения дисков между собой и с валом и могут быть значительными лишь в тонких дисках. Напряжения кручения обычно невелики и в расчетах в большинстве случаев не учитываются.

Исходные данные

-        Частота вращения диска =13340,7 об/мин;

         Материал диска - титановый сплав ВТ3;

         Плотность материала = 4530 кг/м;

         Напряжение в корневом сечении пера лопатки от растяжения центробежными силами на расчетном режиме = 18.6 МПа;

         Площадь корневого сечения лопатки =0.579E-04м;

         Число лопаток на рабочем колесе =51;

         Площадь радиального сечения разрезной части обода ;

Таблица исходных данных на соответствующих радиусах:

Таблица 2.2

Номер сечения

R, м

 b, м

t,0C

E/105, МПА

/106,  1/0Сдл, МПА

 

1

0,02

0,036

688

1,44

1,9

790

2

0,029

0,036

690

1,44

1,95

790

3

0,037

0,036

693

1,435

2,01

775

4

0,052

0,036

698

1,428

2,1

768

5

0,062

0,036

703

1,425

2,15

754

6

0,074

0,036

709

1,42

2,19

741

7

0,089

0,033

719

1,416

2,25

727

8

0,107

0,03

733

1,41

2,3

712

 9

0,128

0,027

753

1,4

2,32

688

 10

0,154

0,024

783

1,33

2,35

656

 11

0,185

0,018

826

1,31

2,4

618

 12

0,222

0,01

887

1,3

2,5

582


Напряжение σ от центробежных сил лопаток и замковой части обода может быть определено для случая, когда лопатки и диск изготовлены из материала с одинаковой плотностью, по формуле:


где z - число лопаток на ободе диска;

σрк - напряжение в корневом сечении лопатки от растяжения центробежными силами;К - площадь корневого сечения лопатки;

ρ - плотность материла диска и лопатки;- площадь радиального сечения разрезной части обода диска;f - радиус центра тяжести площади f;K - наружный радиус неразрезного обода диска;К - ширина обода диска на радиусе RK.


Ниже приведены результаты расчета диска на ЭВМ (см. табл.2.3).

Таблица 2.3

РАCЧЕТ НА ПРОЧНОCТЬ ДИCКОВ КОМПРЕССОРОВ И ТУРБИН

*************************************************************

ВЫПОЛНИЛ(А) : Муженский А.В.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:= 0 DT= 1

Частота вращения = 13340.7 об/мин

Количество расчетных сечений = 12

Количество скачков на контуре = 0

Контурная нагрузка = 111.300 МПа= 1 BZ= 0 NZ= 1 QZ= 0

Коэффициент Пуассона = .30( 1)= .0200 R( 2)= .0290 R( 3)= .0370 R( 4)= .0520

R( 5)= .0620 R( 6)= .0740 R( 7)= .0890 R( 8)= .1070( 9)= .1280 R(10)= .1540 R(11)= .1850 R(12)= .2220( 1)= .0360 B( 2)= .0360 B( 3)= .0360 B( 4)= .0360

B( 5)= .0360 B( 6)= .0360 B( 7)= .0330 B( 8)= .0300( 9)= .0270 B(10)= .0240 B(11)= .0180 B(12)= .0100

Плотность материала = 8200.00

T( 1)= 688.0 T( 2)= 690.0 T( 3)= 693.0 T( 4)= 698.0( 5)= 703.0 T( 6)= 709.0 T( 7)= 719.0 T( 8)= 733.0( 9)= 753.0 T(10)= 783.0 T(11)= 826.0 T(12)= 887.0( 1)= 144000.0 E( 2)= 144000.0 E( 3)= 143500.0 E( 4)= 142800.0( 5)= 142500.0 E( 6)= 142000.0 E( 7)= 141600.0 E( 8)= 141000.0( 9)= 140000.0 E(10)= 133000.0 E(11)= 131000.0 E(12)= 130000.0(K)= 1.900000E-05 1.950000E-05 2.010000E-05 2.100000E-05

.150000E-05 2.190000E-05 2.250000E-05 2.300000E-05

.320000E-05 2.350000E-05 2.400000E-05 2.500000E-05( 1 )= 790.0 SDL( 2 )= 790.0 SDL( 3 )= 775.0( 4 )= 768.0 SDL( 5 )= 754.0 SDL( 6 )= 741.0( 7 )= 727.0 SDL( 8 )= 712.0 SDL( 9 )= 688.0

SDL(10 )= 656.0 SDL(11 )= 618.0 SDL(12 )= 582.0

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА:

I R(I),M B(I),M SR,МПА ST,МПА SEK,МПА ZAP

1 .0200 .0360 565.35 565.35 565.35 1.4

.0290 .0360 561.66 509.09 537.31 1.5

.0370 .0360 542.74 452.91 503.87 1.5

.0520 .0360 495.16 380.25 448.87 1.7

.0620 .0360 463.53 333.88 414.21 1.8

.0740 .0360 424.79 295.50 377.15 2.0

.0890 .0330 413.54 233.50 359.13 2.0

.1070 .0300 385.22 175.58 334.04 2.1

.1280 .0270 341.33 129.68 298.43 2.3

.1540 .0240 274.95 37.23 258.36 2.5

.1850 .0180 207.96 -107.88 278.07 2.2

.2220 .0100 111.30 -360.27 426.94 1.4

Рис.2.4 Изменение напряжений по сечениям

Рис.2.5 Изменение запасов прочности по сечениям

Из графиков видно, что значения запасов прочности по сечениям диска удовлетворяют нормам прочности, по которым запас прочности должен быть не менее 1,3….1,5. В нашем случае минимальный запас прочности 1,4 , а максимальный - 2,5, что обеспечивает безопасную работу диска, турбины и двигателя в целом.

.3 Выводы

Результатом выполнения конструкторской части данной работы является составление краткого технического описания узлов ГТД и расчет на прочность наиболее нагруженных деталей узла (диск РК первой ступени турбины, лопатка РК первой ступени турбины).

Из результатов расчета на прочность лопатки рабочего колеса турбины видно, что запас прочности лопатки в самом напряженном месте соответствует требованиям (для рабочих лопаток турбины K - не менее 1,5) K = 1,995.

Из результатов расчета на прочность диска турбины видно, что значения запасов прочности по сечениям диска удовлетворяют нормам прочности, по которым запас прочности должен быть не менее 1,3….1,5. В нашем случае минимальный запас прочности 1,4 , а максимальный - 2,5, что обеспечивает надежную работу диска, турбины и двигателя в целом. Ресурс данной установки составляет 2000 часов.

турбокомпрессор термогазодинамический расчет двигатель

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Анализ рабочего чертежа детали

3.1.1 Назначение детали, условия работы

Для поддержания вращающихся деталей и для передачи вращающего момента от одной детали к другой (в осевом направлении) в конструкциях используют валы, устанавливаемые в подшипниковых опорах. Валы относятся к числу наиболее ответственных деталей машин. Существенное нарушение формы вала из-за высокой радиальной податливости или колебаний, а тем более разрушение вала влечёт за собой выход из строя всей конструкции. Поэтому к валам предъявляют высокие требования по точности изготовления, прочности, жёсткости, устойчивости и колебаниям.

Конструктивная форма зависит от нагрузок на вал и способа соединения вала с насаживаемыми деталями. При больших вращающих моментах и повышенных требованиях к центрированию валы соединяют с насаживаемыми деталями с помощью шлицевых соединений. При средних значениях вращающего момента и менее высоких требованиях к точности центрирования для посадки на валах деталей применяют шпоночные соединения.

Технические условия на изготовление валов зависят от требований к конструкции. Обработку валов производят обычно в центрах.

Шестерня предназначена для передачи вращательного движения от вала авиадвигателя к валу агрегата. Вал-шестерня является одной из основных деталей редуктора, служит для передачи большого крутящего момента, понижения скорости вращения промежуточного или выходного вала.

С точки зрения жесткости и прочности форма детали и соотношение размеров элементов достаточно рациональны.

Зубья детали работают в тяжелых условиях, под действием ударных и знакопеременных нагрузок, поэтому материал детали должен быть достаточно прочным, иметь пластическую, вязкую сердцевину и поверхностную твердость. Для достижения поверхностной твердости зубьев применяется азотирование.

Деталь образована цилиндрическими поверхностями и плоскостями. Наивысшая чистота поверхности - 0.16 мкм - принадлежит поверхности 16 и 8, низшая - 20 мкм - всем поверхностям, которые не участвуют в работе детали и не соприкасаются с другими деталями механизма.

Степень точности зубчатого венца - 7-С по ГОСТ 1758-81. Допускается радиальное биение на величину не более 0.02 мм поверхности 8 и 16 относительно поверхности 11 . Допуск на перпендикулярность поверхности 10 относительно 11 не более 0.01 мм.

3.1.2 Выбор материала детали

Материал детали должен обладать высокой прочностью и иметь высокую поверхностную твердость, так как деталь работает в тяжелых условиях, под действием ударных и знакопеременных нагрузок. Условия работы детали обусловили выбор материала -сталь 15Г ГОСТ 4543-71. Из этой стали могут изготавливаться червяки, зубчатые колеса, шестерни, валы, оси, ответственные болты и другие улучшаемые детали. Механические свойства и химический состав стали 15Г приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

Таблица 3.1 - Механические свойства

Сечение, мм

0,2, МПа

B, МПа

10, %

, %

KCU, Дж/м2

 

Закалка 890 °С, вода. Отпуск 425 °С, масло.

19

870

940

6

67

66










60

435

560

17

78

117










Закалка 890 °С, вода. Отпуск 450 °С, масло.

19

790

870

8

67

112










60

415

560

17

72

118











Таблица 3.2 - Химический состав

Химический элемент

%

Кремний (Si)

0.17-0.37

Марганец (Mn)

0.70-1.00

Медь (Cu), не более

0.30

Никель (Ni), не более

0.30

Сера (S), не более

0.035

Углерод (C)

0.12-0.19

Фосфор (P), не более

0.035

Хром (Cr), не более

0.30


В целях поверхностного упрочнения сталь подвергается нитроцементированию на глубину 0,8…1,2мм - HRCэ 45…55, обеспечивающему высокую твердость поверхности зубьев и высокую усталостную прочность.

.2 Определение показателей технологичности

.2.1 Качественная оценка технологичности

Данная деталь представляет собой тело вращения цилиндрической формы переменного диаметра. Вдоль оси вращения детали выполнено сквозное отверстие так же переменного диаметра. Наличие ряда нетехнологических поверхностей, обуславливает применение специального режущего инструмента и оборудования. К таким поверхностям, в данном случае, зубчатая и шлицевая поверхности. Деталь имеет внутреннею зубчатую и внешнюю шлицевую поверхности. Для их получения необходимо применять специальные методы обработки, как зубо- и шлицедолбление.

Что же касается технологичности геометрической формы, то шестерни в этом смысле нетехнологичны, поскольку операции нарезания зубьев выполняется в основном малопроизводительными методами. Отношение длины детали к наружному диаметру хвостовика невелико, что обеспечивает достаточную жесткость детали при обработке в центрах.    

Требования точности формы и расположения поверхностей детали обусловлены необходимостью обеспечить надежную работу зубчатого зацепления, а также надежный контакт опорных торцов с внутренним кольцом подшипника (смотри таблицу 3.3).

3.2.2 Количественная оценка технологичности

Нумерация поверхностей детали приведена на рисунке 3.1

Рис. 3.1 Нумерация поверхностей детали

Количественная оценка технологичности по:

· точности


где Аср - среднее значение точности; N - количество поверхностей одного квалитета; Т - степень точности соответствующих поверхностей.

,

где Кт.ч. - средний коэффициент точности.

Таблица 3.3 - Точность поверхностей детали

№ поверхности

Количество поверхностей

Степень точности

19

1

6

2, 21, 25

3

11

1

8

3, 17

2

9

1, 20, 23, 9, 10

5

10

4, 5, 6, 7, 8, 12, 13, 14,15, 16, 18, 22

16

12



Т.к Кт.ч. > 0.8, то деталь технологична по показателю точности.

· шероховатости


где N - количество поверхностей одного квалитета; R - значение шероховатости соответствующих поверхностей; Бср - средняя величина шероховатости.

где Кш - средний коэффициент шероховатости.

Значения шероховатости поверхностей детали приведены в таблице 3.4

Таблица 3.4 - Шероховатости поверхностей детали

№ поверхности

Количество поверхностей

Шероховатость Ra

19

1

0.32

3, 17

2

1.25

1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 20, 21, 22

25

5



Т.к. Кш < 0.32, то по показателю шероховатости деталь технологична

3.3 Выбор метода получения заготовки

.3.1 Обоснование выбранного метода получения заготовки

При выборе заготовок для заданной детали назначают метод ее получения, определяют конфигурацию, размеры, допуски, припуски на обработку и формируют технические условия на изготовление.

Главным при выборе заготовки является обеспечение заданного качества готовой детали при ее минимальной себестоимости.

Технологические процессы получения заготовок определяются технологическими свойствами материала, конструктивными формами и размерами детали и программой выпуска.

Факторы, определяющие выбор способа получения заготовки: 1) форма и размеры заготовки; 2) требуемая точность и качество поверхностного слоя заготовки; 3) условия эксплуатации детали; 4) технологические свойства материала заготовки; 5) количество выпускаемых деталей; 6) Производственные возможности предприятия.

Учитывая назначения и условия работы детали, ее конфигурацию, свойства материала и тип производства целесообразно избрать в качестве метода получения заготовки горячую штамповку.

Горячая объемная штамповка находит широкое применение в машиностроении, так как дает изготовить поковку с высокими механическими свойствами и по конфигурации близкую к исходной детали. Применение метода групповой технологии может обеспечить рентабельность горячей штамповки даже в условиях мелкосерийного производства.

Одним из возможных вариантов изготовления штампованной заготовки вал-шестерни может служить штамповка на горизонтально-ковочной машине. Горячая штамповка на ГКМ имеет широкое применение в производстве поковок различной конфигурации. На ГКМ можно штамповать поковки шестерен, клапанов, болтов, гаек, колец, фланцев, валиков с уступами и т.д.

Штамповка на ГКМ имеет целый ряд преимуществ: 1) возможность штамповки в закрытых штампах (без облоя); 2) возможность штамповки без штамповочных уклонов, что сокращает припуски и допуски на поковку; 3) возможность обеспечения в поковке необходимого направления волокон макроструктуры, придающего ей наибольшую прочность; 4) высокая производительность; 5) возможность полной автоматизации технологического процесса штамповки.

Одним из рациональных решений является горячая объемная штамповка в разъёмных матрицах, т. е. в штампах с 2-мя или несколькими плоскостями разъёма. Плоскость разъема штампа проходит через наибольшее сечение заготовки, что облегчает заполнение полостей штампа и позволяет легко контролировать смещение одной из половин. Кроме того, вертикальное расположение продольной оси заготовки в штампе обеспечивает более выгодное расположение волокон металла параллельно наружному контуру заготовки.

В результате горячей штамповки получаем поковку по 17 квалитету точности с шероховатостью Rz=200. Т.к. диаметр внутренних отверстий >40мм, то есть возможность прошить отверстия в заготовке.

3.3.2 Определение массы и степени сложности заготовки

Масса заготовки определяется по формуле


где mд - масса детали.


Плотность стали 15Г ρ= 7850 кг/м3, а объем детали определяем в программе Компас.


Степень сложности поковки определяется по формуле:


степень сложности поковки относится к С2.

Допуски основных поверхностей приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Допуски основных поверхностей заготовки

№ поверхности

Размер детали, мм

Допуск на размер, мкм

Точность

Допуск заготовки

Точность

Rz

2

Ç202,5

290

h11

+3.0 -1.5

IT17

200

7

Ç160

400

H12

+2.5 -1.5

IT17

200

11

Ç103

35

H7

+2.4 -1.2

IT17

200

16

Ç143

25

H6

+2.5 -1.5

IT17

200

19

Ç165.4

400

H12

+2.5 -1.5

IT17

200

1-10

217.5

72

js8

+3.0 -1.5

IT17

200

1-22

111

54

H8

+2.4 -1.2

IT17

200

1-21

70

300

H12

+2.4 -1.2

IT17

200


.4 Определение количества ступеней обработки основных поверхностей

При определении необходимого и достаточного количества ступеней обработки отдельных поверхностей для обеспечения заданных характеристик точности формообразующих размеров, формы и качества поверхности с достаточной для практических целей точностью, воспользуемся зависимостями:

1)  число ступеней обработки необходимое для обеспечения заданной точности:


где Тзаг - допуск размера заготовки; Тдет - допуск размера детали.

2)  число ступеней обработки необходимое для обеспечения заданной шероховатости


где Rzзаг - шероховатость поверхности заготовки; дет - шероховатость поверхности готовой детали.

Результаты расчета необходимого числа ступеней обработки для поверхностей детали приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 - Определение количества ступеней обработки основных поверхностей детали

N пов.

Размер

Точность

Шероховат.

Число ст. обр-ки

Точность ступен. обработки

Шероховатость

Метод обработки


Д

З

Д

З

Д

З

nпр

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5


1,3,10





20

200


2,5

3






80

40

20



1.Подр.торца чернов. 2.Подр.торца получистов. 3.Подр.торца чистовая

2

Ø202,5


h11 290

IT17 4600

20

200

2.6

2.5

3

14 1150

12 460

11 290



80

40

20



1.Точение черновое 2.Точение п/чистовое 3.Точение чистовое

4

Ø200,5


h12 460

IT17 4600

20

200

2.1

2.5

3

15 1850

13 720

12 460



80

40

20



1.Точение ч. 2.Точение п/чистовое 3.Точение чистовое

5





20

200


2,5

3






80

40

20



1.Точение черновое 2.Точение п/чистовое 3.Точение чистовое

6

Ø135


n5 18

IT17 4000

0.8

200

5.1

5.9

6

13 630

10 160

8 63

7 40

6 25

5 18

100

60

30

10

5

0.8

1.Точение черновое 2.Точение п/чистовое 3.Точение чистовое 4.Шлифование 5.Шлифование 6.Шлифование

7

Ø160


h12 400

IT17 4000

20

200

2.1

2.5

3

15 1600

13 630

12 400



80

40

20



1.Точение черновое 2.Точение п/чистовое 3.Точение  чистовое

8

Ø135


n5 18

IT17 4000

0.8

200

5.1

5.9

6

13 630

10 160

8 63

7 40

6 25

5 18

100

60

30

10

5

0.8

1.Точение черновое 2.Точение п/чистовое 3.Точение чистовое 4.Шлифование 5.Шлифование 6.Шлифование

9

Ø127


h12 400

IT17 4000

20

200

2.1

2.5

3

15 1600

13 630

12 400



80

40

20



1.Точение черновое 2.Точение п/чистовое 3.Точение  чистовое

11

Ø103


H7 35

IT17 3500

1.6

200

4.3

5.2

5

13 540

11 220

9 87

8 54

7 35

100

40

20

10

1.6

1.Растачивание черновое 2.Растачивание п/чистовое 3.Растачивание чистовое 4.Шлифование 5.Шлифование

13

Ø115


H12 350

IT17 3500

20

200

2.1

2.5

3

15 1400

13 540

12 350



80

40

20



1.Растачивание черновое 2.Растачивание п/чистовое 3.Растачивание чистовое

14





20

200


2.5

3











1.Растачивание черновое 2.Растачивание п/чистовое 3.Растачивание чистовое

Окончание табл 3.6

15

Ø128.3


H12 400

IT17 4000

20

200

2.1

2.5

3

15 1600

13 630

12 400



80

40

20



1.Растачивание черновое 2.Растачивание п/чистовое 3.Растачивание чистовое

16

Ø143


H6 25

IT17 4000

0.8

4.8

5.9

6

14 1000

11 250

9 100

8 63

7 40

6 25

100

60

30

10

5

0.8

1.Растачивание черновое 2.Растачивание п/чистовое 3.Растачивание чистовое 4.Шлифование 5.Шлифование 6.Шлифование

17





10

200


3.2

3






80

40

20



1.Растачивание черновое 2.Растачивание п/чистовое 3.Растачивание чистовое

18

Ø176


H12 400

IT17 4000

20

200

2.1

2.5

3

15 1600

13 630

12 400



80

40

20



1.Растачивание черновое 2.Растач.п/чистовое 3.Растачивание чистовое

19

Ø165.4


H12 400

IT17 4000

20

200

2.1

2.5

3

15 1600

13 630

12 400



80

40

20



1.Растачив. чернов.  2.Растачив.п/чистов  3.Растачив.чистов.



3.5 Разработка предварительного плана обработки

Исходными данными для разработки маршрутного технологического процесса изготовления детали являются заданный чертеж детали и тип производства.

При проектировании маршрутного технологического процесса необходимо разработать графический план обработки заготовки, установить состав и последовательность операций, указав для каждой операции обрабатываемые поверхности, методы их обработки и характеристики точности, схемы установок и позиции, тип оборудования.

Для проектирования плана обработки рациональна определенная последовательность решений:

· составление укрупненного плана обработки заготовки, устанавливающего рациональную последовательность формообразующих операций, а также наличие и место в плане обработки термических, слесарных, контрольных и других вспомогательных операций;

·        выявление конструкторских баз расположения поверхностей и отсчета координатных размеров связей с ними исходных поверхностей заготовки и необрабатываемых поверхностей детали.

Весь план обработки состоит из четырех этапов: черновой получистовой, чистовой и отделочный.

. Черновой этап состоит из черновых операций, на которых снимается до 60-70 % припуска на обработку. На этом этапе достигается равномерное распределение припусков на дальнейшую обработку, и удаляются дефекты на поверхности заготовки.

. Получистовой этап обработки выполняется, как правило, в той же последовательности, что и черновая обработка, но более точно, с меньшими режимами резания, при этом устраняют коробление, возникшее после первого этапа.

. На чистовом этапе снимается до 30 % припуска, и детали придается окончательная форма.

. Отделочный этап включает операции, обеспечивающие заданную точность и чистоту рабочей поверхности.

Для большинства операций соблюдается принцип совмещения и постоянства баз, и такие базы называются чистыми. Исключение составляют первые операции, на которых базы уступают по точности и качеству обрабатываемым поверхностям. Это черновые базы, которые могут быть использованы только один раз и для координации только одной из обрабатываемых поверхностей. То есть обработку детали начинаем с той поверхности, которая будет служить установочной базой для дальнейших операций.

Обработку поверхностей точным взаимным расположением включаем в одну операцию, и выполняем за одно закрепление заготовки. А черновую и чистовую обработки заготовок со значительными припусками выделяем в отдельные операции, так как совмещение черновых и чистовых переходов в одной операции приводит к снижению точности обработки вследствие повышенного износа инструмента на черновых операциях.

План обработки строим так, чтобы последними обрабатывались поверхности, к которым предъявляются повышенные требования по точности, а в начале те поверхности, к точности которых предъявлены меньшие требования. При определении последовательности переходов операции, предусматриваем опережающее выполнение тех переходов, которые подготавливают возможность осуществления следующих за ними переходов.

Последовательность операций отражена в плане обработки.

.6 Расчет припусков и операционных размеров на диаметральные поверхности

Расчет выполняется в соответствии с рекомендациями [7].

Величину минимального припуска на диаметральные поверхности определяют по формуле:


где Rzi-1 и hi-1 - соответственно шероховатость и глубина дефектного слоя на предыдущей ступени обработки; Δi-1 - величина пространственных отклонений на предыдущей ступени обработки; εi - погрешность установки детали в данной ступени обработки.

Величина пространственных отклонений определяется по формуле:


где Δкор - величина коробления поковки; Δсм - величина смещения поковки.

Величина пространственных отклонений в процессе обработки полностью не исчезает, а значительно уменьшается по величине. Величина остаточных отклонений определяется по величине коэффициента уточнения формы.

.

Номинальный припуск:

,

где Ti-1 - допуск размера на предыдущей обработке.

Максимальный припуск для:

) валов


2)  отверстий

.

Минимальный припуск для:

) валов


2)  отверстий

.

Расчетный диаметр для:

1)  валов


2)  отверстий


Результаты расчета операционных припусков и операционных размеров диаметральных поверхностей нормативным методом приведены в табл. 3.8, а расчетно-аналитическим методом в табл. 3.7.

Таблица 3.7 - Расчет операционных припусков и операционных размеров расчетно-аналитическим методом

Маршрут обработки поверхности

Элементы припуска мкм.

Расчетный припуск мкм.

Допуск размера Т мм

Расчетный припуск 2Zном.р мм.

Расчетный размер D мм.

Принятые размеры мм.

Принятые припуски мм.

Операционные размеры мм.



Rz

h

D

e

2Zmin.p

T

2Zном.р

Dp.

Dmax.

Dmin.

2Zmax

2Zmin


Поверхность 8 [Æ 135 n5 ( +0.027 +0.045)]


Штамповка

200

250

1121

-

-

+2.5 -1.5

-

145.88

146

142

-

-

143.5-1.5+2.5

10

Точение черновое

100

150

67

400

3280

0.63

7.28

138.552

138.6

137.97

5.43

3.4

138.6-0.63

20

Точение получистовое

60

60

56

200

921.8

0.16

1,552

136.915

137

136.84

1.76

0.97

137-0.16

30

Точение чистовое

30

30

45

200

655.4

0.063

0,815

136.002

136.1

136.037

0.963

0.74

136.1-0.063

105

Шлифование

10

10

34

100

339.3

0.04

0,402

135.591

135.6

135.56

0.54

0.437

135.6-0.04

115

Шлифование

5

5

22

100

251.2

0.025

0,291

135.294

135.3

135.275

0.325

0.26

135.3-0.025

125

Шлифование

0.8

0.8

17

100

224.8

0.018

0,249

135.045

135.045

135.027

0.273

0.23

135.045-0.018

Маршрут обработки поверхности

Элементы припуска мкм.

Расчет-ный припуск мкм.

Допуск размера Т мм

Расчетный припуск2Zном.р мм.

Расчет-ный размер D мм.

Принятые размеры мм.

Принятые припуски мм.

Операционные размеры мм.



Rz

h

D

e

2Zmin.p

T

2Zном.р

Dp.

Dmax.

Dmin.

2Zmax

2Zmin


Поверхность 16 [Æ 143 H6 ( +0.025 )]


Штамповка

200

250

1121

-

-

+2.5 -1.5

-

132.538

136.5

132.5

-

-

134-1.5+2.5

25

Растачивание черновое

100

150

67

150

3162

1.0

7.162

139.791

140.7

139.7

6.7

3.2

139.7+1.0

35

Растачивание получистовое

60

60

56

80

708.7

0.25

1.709

141.515

141.75

141.5

2.05

0.8

141.5+0.25

45

Растачивание чистовое

30

30

45

80

435.3

0.1

0.685

142.272

142.3

142.2

0.8

0.45

142.2+0.1

110

Шлифование

10

10

34

30

228.2

0.063

0.328

142.636

142.663

142.6

0.463

0.3

142.6+0.063

120

Шлифование

5

5

22

30

130.7

0.04

0.194

142.866

142.84

142.8

0.27

0.167

142.83+0.04

130

Шлифование

0,8

0.8

17

30

94.4

0.025

0.134

143

143

0.195

0.16

143+0.025


Таблица 3.8 - Расчет операционных припусков и операционных размеров нормативным методом

Маршрут обработки поверхности

Расчетный припуск мкм.

Допуск размера Т мм

Расчетный припуск 2Zном.р мм.

Расчетный размер D мм.

Принятые размеры мм.

Принятые припуски мм.

Операционные размеры мм.



2Zmin.p

T

2Zном.р.

Dp.

Dmax.

Dmin.

2Zmax

2Zmin


Поверхность 2 [Æ 202.5 h11 ( -0.29 )]


Штамповка

-

+3.0 -1.5

-

213.2

213.5

209

-

-

210.5+3.0-1.5


Точение Черновое

2200

1.15

6.7

206.3

206.5

205.35

5.15

2.5

206.5-1.15


Точение Получистовое

1450

0.46

2.6

203.66

203.7

203.24

3.26

1.65

203.7-0.46


Точение чистовое

700

0.29

1.16

202.5

202.5

202.21

1.49

0.74

202.5-0.29

Поверхность 4 [Æ 200.5 h12 ( -0.46)]


Штамповка

-

+3.0 -1.5

-

212.2

212.5

208

-

-

209.5+3.0-1.5


Точение Черновое

2200

1.85

6.7

205.3

205.5

203.65

5.85

2.5

205.5-1.85


Точение Получистовое

1450

0.72

3.3

201.92

202

201.28

4.22

1.65

202-0.72


Точение чистовое

700

0.46

1.42

200.5

200.5

200.04

1.96

0.78

200.5-0.46

Поверхность 7 [Æ160 h12 ( -0.4 )]


Штамповка

-

+2.5 -1.5

-

170.9

171

167

-

-

168.5-+2.51.5


Точение Черновое

2200

1.6

6.2

164.55

164.7

163.1

5.4

2.3

164.7-1.6


Точение Получистовое

1450

0.63

3.05

161.33

161.5

160.87

3.83

1.6

161.5-0.63


Точение чистовое

700

0.4

1.33

160

160

159.6

1.9

0.87

160-0.4

Маршрут обработки поверхности

Расчетный припуск мкм.

Допуск размера Т мм

Расчетный припуск 2Zном.р мм.

Расчетный размер D мм.

Принятые размеры мм.

Принятые припуски мм.

Операционные размеры мм.



2Zmin.p

T

2Zном.р.

Dp.

Dmax.

Dmin.

2Zmax

2Zmin


Поверхность 11 [Æ103 H7 ( +0.035 )]


Штамповка

-

+2.4 -1.2

-

93.6

97.1

93.5

-

-

94.7-1.2+2.4


Растачивание Черновое

2000

0.54

5.6

99.21

99.74

99.2

5.24

2.1

99.2+0.54


Растачивание Получистовое

1450

0.22

1.99

101.28

101.42

101.2

2.22

1.46

101.2+0.22


Растачивание чистовое

900

0.087

1.22

102.543

102.587

102.5

1.387

1.08

102.5+0.087


Шлифование

170

0.054

0.257

102.863

102.854

102.8

0.354

0.213

102.8+0.054


Шлифование

83

0.035

0.137

103

103.035

103

0.235

0.146

103+0.035

Поверхность 15 [Æ 128.3 H12 ( +0.4)]


Штамповка

-

+2.5 -1.5

-

117.6

121.5

117.5

-

-

119-1.5+2.5


Растачивание Черновое

2200

1.6

6.2

123.85

125.4

123.8

6.4

2.3

123.8+1.6

Окончание табл. 3.8


Растачивание Получистовое

1450

0.63

3.05

126.97

127.53

126.9

3.73

1.5

126.9+0.63


Растачивание чистовое

700

0.4

1.33

128.3

128.7

128.3

1.8

0.77

128.3+0.4

Поверхность 19 [Æ165.4 H12 ( +0.4 )]


Штамповка

-

+2.5 -1.5

-

154.7

158.5

154.5

-

-

156-1.5+2.5


Растачивание Черновое

2200

1.6

6.2

160.95

162.5

160.9

6.5

2.4

160.9+1.6


Растачивание Получистовое

1450

0.63

3.05

164.07

164.63

164

3.73

1.5

164+0.63


Растачивание чистовое

700

0.4

1.33

165.4

165.8

165.4

1.8

0.77

165.4+0.4

3.7 Расчет припусков и операционных размеров на обработку торцевых поверхностей

.7.1 Определение припусков

Величину минимального припуска на обработку торцевой поверхности определяют по формуле:


где Rzi-1 и hi-1 - соответственно шероховатость и глубина дефектного слоя на предыдущей ступени обработки; Δi-1 - величина пространственных отклонений на предыдущей ступени обработки; εi - погрешность установки детали в данной ступени обработки. Номинальный припуск:


где Ti-1 - допуск размера на предыдущей обработке.

Результаты расчета операционных припусков на обработку торцевых поверхностей нормативным и расчетно-аналитическим методом сведены в табл. 3.9.

Таблица 3.9 - Расчет припусков и операционных размеров

Номер торца

Маршрут  обработки

Эл-ты припуска, мкм

Расчетный припуск Zmin.р, мм



Rz

h

D

e


1

Штамповка

200

250

1121

-

-


Подрезка торца черновая

80

150

67

100

1,671


Подрезка торца  п/чистовая

40

40

56

100

0,397


Подрезка торца  чистовая

20

20

45

80

0,216

10,22,21

Штамповка


Подрезка торца  черновая





1,2


Подрезка торца  п/чистовая





0,6


Подрезка торца  чистовая





0,55

3.7.2 Разработка и анализ размерной схемы обработки торцевых поверхностей детали

Расчёт линейных операционных размеров начинают с построения размерной схемы технологического процесса.

Размерную схему необходимо строить, располагая эскизами план обработки детали, следующим образом. Вычерчивают контур готовой детали, утолщёнными линиями указывают координаты торцов поверхностей в соответствии с координацией размеров на рабочем чертеже.

С учётом количества обрабатываемых торцевых поверхностей на эскизе детали условно показывают операционные припуски вплоть до соответствующего размера заготовки. Через пронумерованные поверхности проводятся вертикальные линии. Между вертикальными линиями, начиная с последующей операции, с учётом эскизов обработки, указывают технологические размеры (обозначаем Sn). Размер представлен в виде стрелок с точкой, причём точка совмещена с установочной базой, а стрелка своим остриём упирается в ту поверхность, которую мы получили на данной операции, после снятия соответствующего межоперационного припуска.

Методика расчета размерных цепей зависит от того, является замыкающее звено конструкторским размером или припуском. Если замыкающим размером является припуск Z, оставленный для последнего перехода, то сначала вычисляют его минимальную величину Zmin. Далее получают исходное уравнение размерной цепи относительно Zmin.


где Spmin - наименьший граничный размер увеличивающего звена, Sqmax  наибольший граничный размер уменьшающего звена. Если искомый размер Sx есть уменьшающим звеном, то:


Если искомый размер Sx является увеличивающим звеном, то:


Допуск этого размера был установлен при формировании плана обработки, что позволяет определить номинальный размер:

;

где ESx и Eix - верхнее и нижнее отклонение.

Для определения номинального и максимального значений припуска исходное уравнение составляют относительно Z с указанием предельных отклонений составляющих звеньев:


По разности номинальных размеров находят номинальное значение припуска zн, а по разности предельных отклонений звеньев - предельные отклонения размера припуска:

; ;

т.е. для определения отклонений припуска необходимо вычесть суммы отклонений звеньев по схеме крест - накрест. Максимальное значение припуска

Zmax=Zн+ESz.

Если припуск определен нормативным методом и известное его номинальное значение, то исходное уравнение составляют относительно Zн.

Из уравнения находят номинальное значение искомого размера.


Если же замыкающим звеном размерной цепи является конструкторский размер А, то решение исходного уравнения дает номинальное значение искомого размера составляющего звена Sx.


а координату середины поля допуска определяют из уравнения как единственную неизвестную величину.

Результаты расчета приведены на плакате [2007.КОЗЫРЕ.241-05].

.8 Вывод

Результатом выполнения технологической части данной работы является чертеж детали, оценка ее технологичности, выбор и обоснование вида заготовки и метода ее получения, а также расчет потребного числа ступеней обработки, разработка предварительного плана технологического процесса, расчет припусков и операционных размеров, расчет технологических размерных цепей.

При выборе вида исходной заготовки ориентировались на такой способ ее изготовления, который обеспечит максимальное приближение к форме готовой детали с целью экономии материала. Поэтому в качестве метода получения заготовки для детали такой конфигурации целесообразно применять штамповку на ГКМ. Из условий обеспечения заданной точности размеров и обеспечения заданной шероховатости поверхности определено количество ступеней обработки отдельных поверхностей. С учетом всех требований построен план обработки заготовки. После расчета припусков и операционных размеров поверхностей вращения, с учетом припусков на обработку торцов и линейных операционных размеров построена размерная схема и определены линейные и операционные размеры, позволяющие в дальнейшем вести обработку заготовки согласно плану.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе спроектирован каскад высокого давления приводного ГТД.

В результате анализа зависимостей Nеуд=f(Тг*, pк*) и Се=f(Тг*, pк*) выбраны основные параметры цикла двигателя: Т*г =1375 К и p*к =21. При этих расчетных Тг* и pк* получены удельная мощность Neуд=249,9 кВт*с/кг, удельной расход топлива Се =0,1999 кг/(кВт*ч).

В результате проведения согласования компрессора и турбины мы разработали 2-х каскадную схему двигателя со свободной турбиной (nтс=4800об/мин). Определены основные геометрические параметры КНД и КВД. КНД имеет 7 ступеней и является средненагруженным (Нz=0.2229);

ТНД - 1-ступенчатая, среднезагруженная (μz=1.594); КВД - 7-ми ступенчатый, средненагруженный (Нz=0.2437); ТВД - 1-ступенчатая средненагруженная (μz=1.545); ТС - 3-х ступенчатая, , среднезагруженная (μz=4.5).

Далее в газодинамическом расчете компрессора были уточнены частоты вращения РВД и РНД - nнд=9863.4 об/мин, nвд=13340.7 об/мин. Также была окончательно определена геометрия проточной части компрессора. Обеспечено выполнение следующих условий:

> 250, уменьшение угла нежелательно, т.к. это приводит к снижению КПД ступени;

> 0.4, иначе увеличиваются потери в решетках ступени; числа  и  не превышают 0.7952, что исключает появление волновых потерь.

При расчете турбины определили окончательные размеры проточной части, а также определили коэффициенты загрузки ступеней. Выполнены следующие условия:

- для отсутствия волновых потерь в решетках.

 - угол на выходе из рабочего колеса в абсолютном движении.

При профилировании лопатки первой ступени КВД были определены геометрические размеры решетки профилей, которые обеспечивают получение заданных планов скоростей на различных радиусах при отсутствии волновых потерь, так как < . Значения густоты решетки во всех сечениях лежат в допустимом интервале.

При разработке чертежа общего вида газогенератора приводного ГТД с осецентробежным компрессором одновального двигателя реализованы следующие конструктивные решения: компрессор осецентробежный, ротор компрессора барабанно-дискового типа, диски РК скреплены между собой электронно-лучевой сваркой, компрессор состоит из 9-ти осевых и 1-ой центробежной ступени, каждое рабочее колесо состоит из диска и рабочих лопаток, соединенных с помощью замка типа «ласточкин хвост». Передняя опора компрессора состоит из двух частей: радиальная гидродинамическая самоустанавливающаяся часть и осевая гидростатическая часть. Смазка и охлаждение опоры производится через форсунки, подающие масло на дорожку подшипника. Турбина двигателя - осевая, реактивная трехступенчатая, состоит из аппарата соплового первой ступени, аппарата соплового второй ступени, аппарата соплового третьей ступени, ротора и опорного венца.

При прочностном расчете пера лопатки и диска первой ступени турбины, обеспечены запасы прочности, удовлетворяющие предъявляемым к ним требованиям (Кпер лоп=5,394…87,599>1,5, Кдис=1,3…2,2>1,3…1,5).

В технологической части, анализируя конструктивные особенности детали вала-шестерни, можно сделать выводы о возможности ее изготовления в условиях типичных для авиадвигателестроительного производства. При выборе вида исходной заготовки ориентировались на такой способ ее изготовления, который обеспечит максимальное приближение к форме готовой детали с целью экономии материала. Поэтому в качестве метода получения заготовки для детали такой конфигурации целесообразно применять штамповку на ГКМ. Из условий обеспечения заданной точности размеров и обеспечения заданной шероховатости поверхности определено количество ступеней обработки отдельных поверхностей. С учетом всех требований построен план обработки заготовки. После расчета припусков и операционных размеров поверхностей вращения, с учетом припусков на обработку торцов и линейных операционных размеров построена размерная схема и определены линейные и операционные размеры, позволяющие в дальнейшем вести обработку заготовки согласно плану.

В целом параметры спроектированного двигателя соответствуют современному уровню двигателестроения:

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


1.  Герасименко В.П., Павленко Г.В. Выбор параметров и термогазодинамический расчет ТВД, ТВВД и ТВаД. - Учеб. пособие. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1984 - 60 с.

.    Буслик Л.Н., Ковалев В.И. Согласование параметров и определение основных размеров турбин и компрессоров ГТД. - Учеб. пособие. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1984 - 67 с.

.    Незым В.Ю. Расчет и построение решеток профилей дозвукового осевого компрессора. - Учеб. пособие. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1988 - 41 с.

4.      Павленко Г.В. Газодинамический расчет осевого компрессора на ЭВМ. - Учеб. пособие. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1985 - 48 с.

.        Павленко Г.В. Термогазодинамический расчет газотурбинных двигателей и установок. - Учеб. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2007. - 64 с.

6.  Павленко Г.В., Волов А.Г. Газодинамический расчет осевой газовой турбины. - Учеб. пособие. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2007. - 76 с.

7.  Гранин В.Ю., Долматов А.И. Определение припусков на механическую обработку и расчет операционных размеров. - Учеб. пособие, Харьк. авиац. ин-т, 1989. - 42 с.

8. Марочник сталей и сплавов // Под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989 - 640с.

. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1969. - 543 с.

. Справочник технолога-машиностроителя // Под ред. А.Г. Косиловой. - М.: Машиностроение, 1985. - Т.1. - 000 с.

11.    Справочник технолога-машиностроителя // Под ред. А.Г. Косиловой. - М.: Машиностроение, 1986. - Т.2. - 000 с.

12.    Шошин Ю.С., Епифанов С.В. Расчет на прочность диска компрессора и турбины. - Учеб. пособие. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1998. - 000 с.

. Шошин Ю.С., Епифанов С.В. Расчет на прочность рабочей лопатки компрессора или турбины. - Учеб. пособие. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1993. - 000 с.

14.    Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей/ Под ред. Д.В. Хронина. М.: Машиностроение, 1989. 368 с.

Похожие работы на - Каскад высокого давления приводного газотурбинного двигателя

 

Не нашли материал для своей работы?
Поможем написать уникальную работу
Без плагиата!