Расчет надежности и прогнозирование долговечности деталей ГТУ на базе двигателя Д-336

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”

Кафедра 203

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГТУ НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ Д - 336

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

“Надежность, динамика и диагностика ГТУ”

Содержание

Введение

1.       Краткие сведения о конструкции турбин, двигателя

2.       Задание на курсовое проектирование

.        Расчет надежности лопатки турбины с учетом внезапных отказов

.        Расчет надежности лопатки турбины при повторно-статических нагружениях

5.       Расчет надежности лопатки турбины с учетом длительной прочности

.        Оценка долговечности с учетом внезапных и постепенных отказов

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Надежность- это один из основных показателей качества изделия, проявляется во времени и отражающий изменения, происходящие в двигателе на протяжении всего периода его эксплуатации. Надежность как свойство изделия закладывается на этапе проектирования, реализуется при изготовлении и поддерживается в процессе эксплуатации. Следует всегда иметь в виду, что качественно проработанный проект является основой надежности будущего изделия.

Поведение реальных конструкций обусловлено взаимодействием целого ряда факторов, имеющих явно выраженный случайный характер. В связи с этим определение надежности конструкций невозможно без применения методов теории вероятностей и математической статистики.

На основе физики возникновения отказы деталей двигателя могут быть разбиты на две группы:

1 .Внезапные отказы, показывающие характер случайного выброса:

-хрупкое разрушение;

-превышение предела текучести, в какой либо точке детали, для которой остаточные деформации недопустимы;

-возникновение слишком больших упругих деформаций.

2. Постепенные отказы, возникающие в результате необратимого накопления повреждений в детали:

-пластические деформации (деформации ползучести);

-усталостные повреждения, ведущие к развитию усталостных трещин.

Таким образом, при оценке надежности деталей стационарных двигателей необходимо учитывать, внезапные и постепенные отказы.

Эти два вида разрушений в первом приближении можно считать независимыми друг от друга.

Изложенные выше допущения позволяют принимать в качестве основного показателя надежности детали вероятность безотказной работы (вероятность не разрушения), формула, для определения которой будет иметь вид:

P(t)=[ P_B(t)]* [ P_П(t)];

где [Pв(t )], [Pn(t)] - вероятность безотказной работы с учетом внезапных и постоянных отказов.

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУКЦИИ ТУРБИНЫ, ДВИГАТЕЛЯ Д --336

Турбина двигателя - осевая, реактивная, четырёхступенчатая, преобразует энергию газового потока в механическую энергию вращения компрессоров двигателя, приводов агрегата и трансмиссии. Турбина расположена непосредственно за камерой сгорания. К турбине крепятся выхлопное устройство, служащее для снижения скорости газового потока за турбиной и отвода его в атмосферу. Сама турбина состоит из одноступенчатой турбины высокого давления (ТВД), одноступенчатой турбины низкого давления (ТНД), каждая из которых включает статор и ротор, и двухступенчатой свободной турбины, которая состоит из статора, ротора и корпуса опор ротора свободной турбины . Ротор ТВД и ротор КВД образуют ротор высокого давления (ротор ВД). Ротор ТНД и ротор КНД образуют ротор низкого давления (ротор НД). Ротор свободной турбины соединён с трансмиссией. Опорами ротора ТВД и ТНД, являющимися задними опорами роторов ВД и НД, служат роликоподшипники; опорами ротора свободной турбины - шарикоподшипник и роликоподшипник. Все подшипники охлаждаются 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 возникающие при работе двигателя - масляные демпферы опор роторов . ТВД - осевая, реактивная, одноступенчатая, предназначена для преобразования части энергии газового потока, поступающего из камеры сгорания, в механическую энергию, используемую для вращения ротора компрессора высокого давления и всех приводных агрегатов двигателя. ТВД расположена за камерой сгорания, её статор крепится к корпусу к конической балке корпуса камеры сгорания, опора ротора смонтирована в статоре турбины низкого давления.

Статор - соплового аппарата ТВД включает наружный 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 камеры сгорания, 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. Ротор ТВД включает рабочее колесо и задний вал.

Рабочее колесо 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 гребешок лабиринтных уплотнений. Лопатки охлаждаются воздухом, подводимым из-за компрессора высокого давления. Каждая лопатка имеет бандажную полку с гребешком лабиринтного уплотнения, полку хвостовика и хвостовик «ёлочного типа».

Турбина низкого давления - осевая, реактивная, одноступенчатая, предназначена для преобразования части энергии газового потока, подаваемого из турбины высокого давления, в механическую энергию, используемую для вращения ротора компрессора низкого давления. Конструкция ТНД аналогична конструкции ТВД.

Свободная турбина - осевая, реактивная, двухступенчатая, предназначена для преобразования части энергии газового потока, поступающего из турбины низкого давления, в механическую энергию, используемую для вращения трансмиссии вертолёта и привода регулятора частоты вращения ротора свободной турбины, свободная турбина расположена непосредственно за турбиной низкого давления и своим статором крепится к статору ТНД. СТ состоит из статора, ротора и корпуса опор ротора свободной турбины. Статор свободной турбины по наружному фланцу крепится к корпусу опор ротора свободной турбины при помощи восьмидесяти болтов, десять из которых - призонные. Подшипниковые опоры ротора свободной турбины расположены в корпусе опор ротора свободной турбины. Статор СТ состоит из наружного корпуса, двух рядов секторов сопловых лопаток, образующих два лопаточных венца и двух внутренних корпусов. Внутренние корпуса сопловых аппаратов имеют кольца с сотовыми элементами лабиринтных уплотнений. Каждый из двух сопловых аппаратов набирается из секторов сопловых лопаток. Наружный корпус имеет внутренние пазы для монтажа каждого ряда секторов сопловых лопаток и проставки, с сотовыми элементами лабиринтных уплотнений. На наружном корпусе в плоскости первого соплового аппарата расположены фланцы, предназначенные для крепления термопар замера температуры газового потока за рабочим колесом ТНД, и окно осмотра лопаток ротора свободной турбины. Статор свободной турбины центруется относительно статора ТНД призонными болтами. Ротор СТ состоит из двух рабочих колёс, вала и кольца лабиринтного уплотнения, которые соединены между собой болтами. Рабочие колёса состоят из дисков, в которых крепятся рабочие лопатки, фиксируемые в ёлочных пазах контровками.

Выхлопное устройство двигателя служит для снижения скорости и отвода в атмосферу газового потока. ВУ расположено непосредственно за корпусом опор ротора свободной турбины двигателя. ВУ состоит из внутреннего кожуха и экрана конической балки, которая соединена между собой стойками. Внутренний кожух имеет фланец крепления. По наружной поверхности к внутреннему кожуху крепится наружный кожух с выштамповками в форме чашек. Между внутренним и наружным кожухами расположена гофрированная лента. На наружной поверхности выхлопной трубы расположены такелажные серьги.

турбина двигатель надежность долговечность

2. Задание на курсовое проектирование

1.Оценить надежность и долговечность лопатки первой ступени турбины, спроектированной в процессе выполнения курсового проекта по дисциплине «Проектирование энергоустановок» и «Газотурбинные установки, компрессорные станции и магистрали». Двигатель Д-336 1/2 с N=6,73 МВт, Gb=32 кг/с,Тг*=1280К.

2.Выполнить расчеты:

1.   Расчет надежности лопатки с учетом внезапных отказов.

2.   Расчет надежности лопатки при повторно-статическом нагружении.

3.   Расчет надежности деталей с учетом длительной прочности.

4.   Определение вероятности не разрушения лопатки турбины за время цикла применения в конце выработки ресурса.

3. Выполнить анализ полученных результатов.

. Расчет надежности лопатки турбины с учетом внезапных отказов

При помощи программы кафедры 203 n_lop.exe и методических пособий [1,2] проводим расчет для всех сечений лопатки, в результате, которого получаем распределение прочностных характеристик и вероятностей не разрушения лопатки за 1 секунду по сечениям.

В качестве исходных данных используем результаты курсового проекта по дисциплинам «Проектирование энергоустановок» и «Газотурбинные установки, компрессорные станции и газотранспортные магистрали»

Исходные данные для расчета на ЭВМ:

Значение GT=-1 для турбины.

Материл лопатки ЖС 30.

Плотность материала лопатки РО=8200 кг/м³ и отклонение РО9=0,04·РО=328 кг/м³.

Значение предела длительной прочности изменяется в зависимости от температуры пера лопатки. В сечениях 1-3 SPT изменяется от 550,5 до 444 МПа, а в сечениях 4-11 SPT=443 МПа.

Коэффициент вариации предела длительной прочности VSPT=0,05.

Угловая скорость ω =1558 рад/сек. Отклонение ∆ω=0,03·         

∆4∆ω =45,3 рад/сек.∆

Мощность ступени N=8293кВт. Отклонение N9=0,03·N=248,8кВт.

Расход газа MG=32,2, кг/сек. Отклонение MG9=0.03·MG=0,966кг/сек.

Осевые скорости С1А=193м/сек, С2А=200м/сек и отклонение

СА9=5,895м/сек.

Давления Р1=1270000Па, Р2=567000Па и отклонение Р9=27555Па.

Число лопаток на диске Z=89.

Длина пера лопатки L=0,049м и отклонение L9=16*10^-6м (по 6-му квалитету).

Радиусы корневого R1=0,2457м и периферийного R2=0,2947м сечений.

Средний радиус RCP=0,2702м и отклонение RCP9=32*10^-6м (по 8-му квалитету).

Объем бандажной полки и выносы центров тяжести (отсутствует, =0).

Выносы центра тяжести периферийного сечения =0.

Хорда (постоянна по сечениям) В=0,026м и отклонение В9=6*10^-6м (по 5-му квалитету).

Толщина профиля лопатки в корневом, среднем и периферийном сечениях D=0,006м, D=0,005м, D=0,005м и отклонение D9=8*10^-6м (по 5-му квалитету).

Максимальный прогиб профиля лопатки в корневом, среднем и периферийном сечениях Н=0,008, Н=0,008 Н=0,007, м и отклонение Н9=9*10^-6м (по 5-му квалитету). Угол установки профиля в корневом, среднем и периферийном сечениях GA=1,015рад, GA=0,99рад, GA=0,93рад.Интенсивности газовых сил PU=1537,9Н/м, PAK=3696Н/м, PAP=4433Н/м. результаты расчета приводятся в файле LOP.REZ в таблице 1.

Таблица 1

В результате расчета получены напряжения, коэффициенты запаса, коэффициенты вариации и вероятность не разрушения в 10-ти сечениях в самых опасных точках сечения пера лопатки, исходя из полученных результатов минимальный запас оказался на втором сечение в точке В и составляет-1,97 соответственно суммарное напряжение в этом сечении равно 240,63 МПа. Так как двигатель наземной ГТУ работает в 2-х режимах номинальном ; и малый газ ; то мы допускаем что

,

тогда коэффициент запаса принимаем

Далее определяем коэффициент вариации рабочего напряжения:

Вероятность не разрушения лопатки рассчитываем по формуле

- коэффициент вариации предела длительной прочности

Для 5.9 функцию вероятности определяем по таблице 3[1].

Для >5,9 функцию вероятности определяем по формуле:

, где а=21, b=2,7282 из таблицы 4[1].

Для определения интенсивности отказов () необходимо определить вероятность отказов детали в данном режиме работы двигателя:

Определим интенсивность отказов двигателя за 1 час работы:

Далее определяем вероятность не разрушения лопатки за цикл применения:

Нормирование уровня надежности

Р_{тр дв}= 0,99

,

,

Таким образом получаем требуемую вероятность безотказной работы Р_тр=0,99999947.

Рис. 2 Зависимость вероятности неразрушения лопатки от коэффициента запаса прочности

Как видно из графика, заданная вероятность обеспечивается при коэффициенте запаса прочности равном 1,33.

Вывод: В результате расчета надежности лопатки турбины с учетом внезапных отказов было определено, что спроектированная лопатка соответствует необходимому уровню надежности и не нуждается в перепрофилировании.

4. Расчет надежности лопатки турбины при повторно-статических нагружениях

Узлы двигателя работают определенными циклами: запуск, рабочий режим, остановка. Соответственно этому напряженно-деформированному состояние деталей изменяется циклически.

Несмотря на то, что в каждом цикле нагружения носит статический характер, при повторных нагружениях в материале возникают явления типичные для усталости. Поэтому разрушение деталей при сравнительно не большом числе циклов (N=10²…10⁵) называют малоцикловой усталостью, способность материала сопротивляться такому разрушению называется малоцикловой прочностью.

Исходные данные:

Материал               Температура испытания, ^ОС          Предел прочности MO{},МПаПредел текучести

Определяем продолжительность работы =24 ч. Количество циклов за ресурс работы двигателя =14500 ч определяем по формуле:

n_n=/=14500/24=604,167

Количество приемистостей за ресурс складывается из: проверки перед запуском n₁=n_n, пробы перед запуском n₂=n_n, запуск n₃=n_n,( n₁=n₂=n₃=n_n=604,167), проверки после регламентных работ n₅=/1000=14500/1000=14,5; количества прерванных работ n₆=0,005* n_n=3,021.

Следовательно, в эксплуатации за ресурс максимальное количество режимов запуска:

(N)_мах= 3n_n+ n₆+n₅=3*604,167+3,021+14,5=1830

Минимальное:

(N)_мин= 2n_n+ n₅=2*604,167+14,5=1223

Если считать, что на основе центральной предельной теоремы теории вероятности, что (N_мах) описывается нормальным законом, то

Определяем среднее напряжение  и амплитудное  пульсирующего цикла ==0,5*=0.5*240,63=120.315МПа,

где  максимальное напряжение в лопатке (из расчета на прочность таблица 1).

Эффективный коэффициент концентрации напряжений:

,

где  - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений литые жаропрочные сплавы - 0,1…0,4, принимаем=0,4 [3].

 - теоретический коэффициент концентрации напряжений, равный отношению напряжения при наличии концентратора к напряжению в той же точке в отсутствие концентратора. Принимаем равной =1,2 [3].

Рассчитываем коэффициент, учитывающий абсолютные размеры детали:

=0,5 для деформируемых материалов (сталей) [3].

=0,03 выбираем из диапазона 0,01….0,03

Рассчитываем коэффициент ,учитывающий влияние состояния поверхности и упрочнения:

Коэффициент  зависит от 3-х факторов[3]:

шероховатость,

коррозийные повреждения,

упрочняющее покрытие.

 значение коэффициента, определяем как отношение пределов выносливости деталей, изготовленных по действующей технологии, к пределу выносливости аналогичного образца (детали) ,выполненного по «стандартной технологии», принимаем = 1.

коэффициент характеризующий снижение пределов выносливости в результате коррозионного повреждения поверхностного слоя, при условии пресная вода (образец без концентрации напряжений, а также с концентрацией напряжений в морской воде),принимаем =0.23

равен отношению предела выносливости деталей при упрочняющей технологии и деталей, изготовленных без ее применения.

Метод упрочнения:

специальная термическая обработка (нагрев до умеренных температур и быстрое охлаждение поверхности для создания сжимающих остаточных напряжений) обычно 1,6….2,5,принимаем 1,7

Вычисляем величину Б:

Где коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла, для сталей принимаем=0,1 приложение [3] таблица3,1:

Вычисляем параметры кривой выносливости:

Вычисляем математическое ожидание числа циклов до разрушения детали на максимальном режиме :

Среднеквадратическое отклонение числа циклов до разрушения определяем по формуле:

Принимаем коэффициент вариации =0,23

Значение  принимаем =0,1 по таблице 3 приложения [3]

Теперь определяем

Отсюда среднеквадратическое отклонение величины накопленных повреждений будет равно:

Вывод: В расчете надежности деталей при повторно-статическом нагружении , определили надежность равную 1. Это значит, что при повторно-статическом нагружении за ресурс работы двигателя сохраняется работоспособность данного двигателя.

5. Расчет надежности деталей с учетом длительной прочности

Для большинства конструкционных материалов при нормальной температуре статистическая прочность практически не зависит от времени приложения нагрузки. С повышением температуры механические свойства материалов изменяются, пределы прочности обычно повышаются , но при некоторых температурах она может понижаться.

Предел длительной прочности - это постоянное напряжение, приложенное к образцу или детали, при постоянной температуре и приводящее к их разрушению в течение заданного промежутка времени.

ПОРЯДОК РАСЧЕТА.

Двигатель в эксплуатации работает в режимах:

максимальном при Т_mах=1052К

-малого газа при Т_тг =722К

Вычисляем фиктивное напряжение в деталях на всех режимах работы
двигателя:

,

где (- рабочее напряжение в расчетном сечении на макси­мальном режиме (из расчета на прочность)).

Из таблиц находим значения для t_p1,t_p2=100, 1000 и определяем А

;

Определяем время до разрушения в каждом режиме эксплуатации:

 -на максимальном режиме работы;

- на минимальном режиме работы.

Величина относительных накоплений повреждений за время эксплуатации:

Определяем дисперсию случайной величины П с помощью теоремы о математическом ожидании и дисперсии линейной функции:

Вычисляем дисперсию относительной величины накопленных повреждений при работе двигателя на максимальном режиме:

где коэффициент влияния

дисперсия возмущающих факторов:

,

- определяем из расчёта надёжности с учётом внезапных отказов:

где

Вычисляем дисперсию относительной величины накопленных повреждений при работе двигателя на режиме малого газа.

где коэффициент влияния

дисперсия возмущающих факторов:

,

где

Тогда:

Суммарная величина относительных накопленных повреждений за время эксплуатации.

;

Определяем суммарную дисперсию случайной величины П с помощью теоремы о математическом ожидании и дисперсии линейной функции.

Вычислим вероятность безотказной работы двигателя за время эксплуатации:

;

Вывод: В результате проведенного расчета надежности лопатки с учетом постепенных отказов получено, что лопатки ГТУ обладают необходимой надежностью.

6.Оценка долговечности с учетом внезапных и постепенных отказов

Данная долговечность определяется на основе долговечности с учетом постепенных отказов (=34376 ч) и внезапных отказов (Т_в=66.6 ч).

Время, при котором  становится равным 1,

где суммарное среднестатистическое отклонение,

Определим коэффициент запаса прочности:

Найдем вероятность безотказной работы

Для 5.9 функцию вероятности определяем по таблице 3[1]

;

Для определения интенсивности отказов () необходимо определить вероятность отказов детали в данном режиме работы двигателя:

Определим интенсивность отказов двигателя за время работы:

;

Далее определяем вероятность не разрушения за время применения:

;

Вывод: В данной работе били произведены расчёты на определение вероятности разрушения турбины за время работы в конце выработки ресурса. Где выработка ресурса оценена как 0,703.

Учитывая ,что разрушение лопаток турбины может произойти как в результате случайного выброса нагрузки, так и в результате случайного накопления повреждений.

Определим вероятность не разрушения лопатки рабочего колеса:

,-вероятность не разрушения с учетом внезапных отказов лопатки за время эксплуатации.

;

-вероятность не разрушения с учетом постепенных отказов рабочего колеса в конце выработки ресурса,

-вероятность не разрушения с учетом постепенных отказов рабочего колеса в начале эксплуатации и в конце выработки ресурса.

Суммарная величина относительных накопленных повреждений за время эксплуатации.

;

Определяем суммарную дисперсию случайной величины П с помощью теоремы о математическом ожидании и дисперсии линейной функции.

Вычислим вероятность безотказной работы двигателя за время эксплуатации:

;

;

;

Отсюда:

.

Вывод: В данной работе были произведены расчеты на определение вероятности разрушения с учетом постепенных отказов рабочего колеса в начале эксплуатации и в конце выработки ресурса . Где она ровна 1.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были проведены основные расчеты лопатки первой ступени турбины, целью которых являлось определение надежности этой значимой детали двигателя. Вероятность не разрушения лопатки проверялась при различных условиях нагружения.

Полученные результаты показали, что спроектированная ранее лопатка турбины сможет исправно работать до первого капитального ремонта. Назначенный мной ресурс 14500 часов в настоящее время является недостаточно высоким и, по возможности, его надо повышать за счет применения более новых жаропрочных сплавов или применять лопатки с направленной кристаллизацией.

В целом надежность лопатки удовлетворяет поставленным требованиям для данного ресурса и условий эксплуатации.

Список использованной литературы

1.Москаленко А.С. “Расчет надежности деталей авиационных газотурбинных двигателей” Харьков: «ХАИ» 1985-106с.

.Москаленко А.С. “Расчет надежности авиационного двигателя” Харьков: «ХАИ» 1990-37с.

.Биргер И.А., Шорр Б.Ф.,Иосилевич Г.Б.. Расчет на прочность деталей машин: Справочник - М.: Машиностроение, 1979 702с