Расчет турбореактивного двигателя р-95Ш

Расчет турбореактивного двигателя р-95Ш

Оглавление

Введение

. Техническое описание турбореактивного двигателя Р-95Ш

.1 Общие сведения

.2 Описание конструкции компрессора двигателя Р-95Ш

.2.1 Корпуса компрессора

.2.2 Ротор низкого давления

. Расчёт рабочей лопатки первой ступени компрессора низкого давления двигателя Р-95Ш на прочность

.1 Исходные данные и допущения

.2 Определение площади поперечного сечения лопатки

.3 Определение напряжений растяжения от инерционных сил

.4 Определение суммарных напряжений

.5 Распределение температуры в рабочих лопатках

.6 Определение запаса прочности лопатки

. Расчёт диска первой ступени компрессора низкого давления двигателя Р-95Ш на прочность

.1 Исходные данные и допущения

.2 Проведение первого расчета

.3 Проведение второй расчета

.4 Определение радиальных напряжений в n-ом сечении

.5 Определение коэффициента согласования напряжений

.6 Определение напряжений в i-ом сечении

.7 Определение расчетных значений напряжений

.8 Определение эквивалентных напряжений

.9 Определение коэффициента запаса прочности

. Патентно-исследовательская часть

.1 Патент №1(2382911). Полая лопатка вентилятора

.2 Патент №2(2184878). Рабочая лопатка осевого компрессора

.3 Патент №3 (2381388) Рабочая лопатка вентилятора или компрессора

.4 Обоснование выбора изменения конструкции элементов ГТД на основании патентного исследования

Список использованной литературы

Введение

При проектировании двигателя необходимо учитывать особенности современной методологии разработки вновь создаваемого двигателя, основанной на рациональном сочетании организационных и технических принципов.

Создание эффективно и надёжно работающих компрессоров - одна из сложных проблем развития авиационных газотурбинных двигателей. Важными элементами компрессора являются рабочие и сопловые лопатки.

Разработке отдельного узла двигателя предшествует решение вопросов компоновки. К числу таких вопросов относятся:

выбор конструктивной схемы двигателя, являющейся основой реализации выбранной газодинамической схемы с соблюдением условий прочности, виброустойчивости, надёжности и условий эксплуатации;

определение силовой схемы двигателя дополняющей конструктивную схему. В частности, уточнение способов передачи усилий от роторов к корпусу двигателя, условия сочленения его основных узлов;

удовлетворение общих требований к двигателю с точки зрения возможности эксплуатации его по техническому состоянию.

В данной работе за основу берется конструкция компрессора низкого давления двигателя «прототипа» Р-95Ш. Назначенный гарантированный межремонтный ресурс изделия составляет 1000 часов.

Этот узел является одним из наиболее нагруженных и ответственных узлов газотурбинного двигателя, поэтому проблемы длительной прочности и надёжности его элементов наиболее актуальны.

В курсовой работе производится расчет на длительную статическую прочность таких важнейших и специфических элементов авиационного двигателя как: рабочая лопатка и диск, на котором закреплена эта лопатка. Для диска расчеты носят проверочный характер. Это означает, что все геометрические размеры элементов берутся с чертежей прототипа. Для лопатки расчёт является проектировочным - за исходные данные принимаются размеры с натурного образца. На основе полученных расчётов делаются выводы о спроектированной конструкции узла.

Производится анализ лопаток компрессора на основе патентной проработки данной темы. Исследуется возможность их конструктивного изменения.

1. Техническое описание турбореактивного двигателя Р-95Ш

.1 Общие сведения

Турбореактивный двигатель Р-95Ш состоит из следующих основных узлов: компрессора низкого и высокого давления, корпуса приводов, камеры сгорания, турбины низкого и высокого давления, реактивного сопла и агрегатов.

Компрессор изделия - осевой, двухроторный, восьмиступенчатый. Он состоит из корпусов компрессора с входящими в них неподвижными лопатками спрямляющих аппаратов, заднего корпуса и двух роторов (трехступенчатого ротора низкого давления и пятиступенчатого ротора высокого давления).

Камера сгорания - трубчато-кольцевая, состоящая из десяти жаровых труб прямоточного типа, расположенных в кольцевом пространстве, образованном корпусом камеры сгорания и передним и задним кожухами корпуса трансмиссии. Розжиг камеры сгорания осуществляется факелами пламени из двух пусковых воспламенителей, установленных между жаровыми трубами.

Турбина изделия - двухступенчатая, осевая, реактивная, предназначена для привода во вращение роторов компрессора и вспомогательных агрегатов, обслуживающих изделие и объект. Течение газа по тракту турбины сопровождается падением давления и температуры. Каждая ступень турбины имеет сопловой аппарат и ротор.

Реактивное сопло - сварной конструкции, изготовлено из листовой стали, служит для отвода выхлопных газов из турбины и крепится к сопловому аппарату турбины.

Система смазки двигателя - автономная, циркуляционная. Она предназначена для поддержания нормального температурного состояния трущихся деталей (подшипников, шестерен передач), уменьшения износа и потерь на трение. Все агрегаты масляной системы устанавливаются на изделии.

Система топливопитания и регулирования - автономная.

Пять ступеней ротора компрессора высокого давления и ротор турбины первой ступени, соединённые шлицами, составляют ротор высокого давления (РВД).

Для привода агрегатов двигателя и самих агрегатов на статоре компрессора снизу установлена коробка агрегатов.

Двигатель оборудован:

топливной системой;

системой запуска;

масляной системой;

системой отбора воздуха.

Воздух, поступающий в двигатель, сначала сжимается тремя ступенями компрессора низкого давления КНД, ротор которого приводится во вращение турбиной II ступени. Далее воздух проходит через пять ступеней КВД, ротор которого приводится во вращение турбиной I ступени. Воздух, сжатый в компрессоре, непрерывным потоком поступает в камеру сгорания. Часть воздуха (первичный воздух) поступает в десять жаровых труб камеры сгорания в зону горения топлива, впрыскиваемого десятью форсунками. Основная же часть воздуха (вторичный воздух) входит в жаровые трубы в зону смешения, смешивается с продуктами сгорания и охлаждает их, а наиболее нагретые детали и узлы двигателя - до допустимой температуры. Смесь продуктов сгорания топлива с воздухом, обладающая большой потенциальной энергией, устремляется из камеры сгорания в суживающиеся межлопаточные каналы соплового аппарата первой ступени турбины и приобретает там высокие скорости движения за счёт расширения. Далее поток газа направляется на рабочие лопатки первой ступени турбины (межлопаточные каналы суживающиеся), где происходит его дальнейшее расширение с понижением температуры. При этом потенциальная энергия газа частично преобразуется в механическую работу, затраченную на вращение ротора компрессора высокого давления и агрегатов двигателя и объекта.

Во второй ступени турбины поток газа, аналогично движению в первой ступени, претерпевает своё дальнейшее расширение с понижением температуры. При этом на рабочих лопатках второй ступени турбины потенциальная энергия газа частично преобразуется в механическую работу, затраченную на вращение ротора компрессора низкого давления.

Поток газа, выходящий из межлопаточных каналов рабочих лопаток второй ступени турбины, поступает в рабочее сопло и далее в атмосферу.

В рабочем сопле происходит преобразование в процессе расширения части оставшейся потенциальной энергии газа в кинетическую энергию. В результате достигается высокая скорость истечения газа из двигателя, обуславливающая создание реактивной тяги.

.2 Описание конструкции компрессора двигателя Р-95Ш

Компрессор (рис.1) предназначен для поджатия атмосферного воздуха и подачи его в основную камеру сгорания. Часть воздуха используется для сжигания топлива в основной камере сгорания, а другая его часть - для охлаждения ряда деталей двигателя, работающих в условиях высоких температур.

Компрессор двигателя - осевой, двухроторный, восьмиступенчатый. Он состоит из корпусов компрессора с входящими в них неподвижными лопатками спрямляющих аппаратов, заднего корпуса и двух роторов: трехступенчатого ротора низкого давления и пятиступенчатого ротора высокого давления.

Первые три ступени компрессора - сверхзвуковые по относительной скорости воздуха на входе в лопатки ротора (рабочие лопатки).

1.2.1 Корпуса компрессора

В узел корпусов компрессора (рис. 2) входят перфорированная проставка I, корпус 41 I ступени, корпус 53 II ступени, корпус 58 III ступени, корпус 64 IV-V ступеней и корпус 69 VI- VII ступеней.

На рисунке 1,2: А - полость вытеснителя; Б - задняя разгрузочная полость; В - разгрузочная полость; Г - лабиринтная полость; Д - лабиринтная полость.

- проставка; 2 - ротор компрессора низкого давления; 3 - корпусы компрессора; 4 - ротор компрессора высокого давления; 5 - конус задней цапфы; 6 - уплотнительное кольцо; 7 - гайка конуса задней цапфы; 8 - кронштейн подвески; 9 - форсунка средней опоры; 10 - форсунка; 11 - ведущая коническая шестерня; 12 - гайка; 13 - корпус привода; 14 - задний корпус; 15 - задний конус; 16 - ведомая коническая шестерня; 17 - замок; 18 - шарикоподшипник средней опоры; 19 - внутреннее калибровое кольцо; 20 - наружное калибровое кольцо; 21 - корпус средней опоры; 22 - шарикоподшипник промежуточной опоры; 23 - уплотнительное кольцо; 24-шестерня; 25 - втулка; 26 - спрямляющая лопатка I ступени (полая); 27 - переходник; 28 - уплотнительное кольцо; 29 - роликоподшипник передней опо-крышка передней опоры; 35 - втулка подшипника; 38 - корпус передней опоры; 40 - спрямляющая лопатка I ступени (полая); 41 - корпус I ступени; 42 - лопатка перепуска; 43 - штифт; 44 - шпилька; 45, 46, 49, 55, 59, 60, 66 - болты; 47 - спрямляющая лопатка I ступени; 48 - заглушка; 50 - спрямляющая лопатка II ступени; 51,62 - заклепки; 52 - кольцо спрямляющего аппарата II ступени; 53 - корпус II ступени; 54 - кольцо; 56 - спрямляющая лопатка III ступени; 57 - стенка; 58 - корпус III ступени; 61 - спрямляющая лопатка IV ступени; 63 - кольцо; 64 - корпус IV- V ступеней; 65 - спрямляющая лопатка V ступени; 67 - спрямляющая лопатка VI ступени; 68 - спрямляющая лопатка VII ступени; 69 - корпус VI-VII ступеней; 70 - винт; 71 - замок; 72 - пружина; 73 - заглушка; 74 - стакан; 75 - винт; 76 - гайка; 77 - шпилька; 78 - заглушка.

Перфорированная проставка служит для смещения границы устойчивой работы I ступени компрессора на меньшие расходы воздуха и повышения запасов устойчивости каскада низкого давления. Она представляет собой коробку, образованную корпусом проставки I и лопатками перепуска 42, вставленными своими концами в пазы корпуса проставки. От выпадания лопатки перепуска закреплены в корпусе проставки замком 71 и винтом 70 и зафиксированы от перемещения в окружном направлении штифтами 43. Корпус проставки и лопатки перепуска изготовлены из алюминиевого сплава. Лопатки перепуска, вставленные в корпус проставки, образуют косые тангенциальные пазы. Через эти пазы внутрь коробки проходит воздух, отбираемый над рабочими лопатками I ступени. Из коробки этот воздух через те же пазы выходит на вход в рабочие лопатки I ступени.

Воздух, перетекающий из полости над рабочими лопатками на вход в рабочее колесо через полость коробки, создает дополнительный циркуляционный поток, который увеличивает скорость воздуха на входе, уменьшает углы атаки на лопатках рабочего колеса и этим самым повышает запасы устойчивости I ступени.

Корпус I ступени состоит из кольца 41.спрямляющих лопаток 40 и 47 (всего 36 штук), крепящихся к корпусу гайками за специальные резьбовые цапфы, и корпуса 38 передней опоры. Пять лопаток выполнены полыми. Из них одна полая лопатка 26 имеет отверстие по оси для рессоры привода насоса откачки масла из передней опоры. Стык с корпусом 38 передней опоры уплотнен втулкой 25 и резиновыми кольцами 28. Второй конец лопатки крепится гайкой на корпусе I ступени. Этой же гайкой закреплен переходник 27 для постановки насоса откачки масла из передней опоры. Четыре другие полые лопатки 40 служат: одна лопатка - для подвода масла через сверления корпуса 38 к форсунке 31 передней опоры, вторая - для слива масла из полости передней опоры, третья - для подвода воздуха из-за компрессора, обогревающего обтекатель (кок) и наддувающего лабиринтные полости Г и Д, и четвертая - для суфлирования масляной полости передней опоры.

Передняя опора выполнена в виде корпуса 38, отлитого из магниевого сплава, и прикреплена к нижним полкам лопаток призонными болтами 46. Cтык четырех полых лопаток и корпуса передней опоры уплотнен втулками 39 и резиновыми кольцами. В корпус передней опоры запрессована стальная втулка 35 роликоподшипника 29 передней опоры. Внутренняя полость передней опоры служит для размещения системы шестерен, осуществляющих передачу крутящего момента от вала ротора к рессоре привода насоса откачки масла из передней опоры. К корпусу передней опоры с помощью шпилек 44 присоединена литая крышка 34. Стык уплотнен паронитовой прокладкой. В крышку и корпус передней опоры запрессованы стальные втулки 32 и 36, соответственно для передних и задних маслоуплотнительных колец передней опоры, и алюминиевые втулки 33 и 36 под гребешки воздушных лабиринтов ротора низкого давления.

Корпус 53 II ступени имеет продольный монтажный разъем в горизонтальной плоскости и состоит из спрямляющих лопаток 50 и внутренних полуколец 52, прикрепленных к нижним полкам лопаток заклепками 51.

Корпус 58 III ступени служит для размещения спрямляющих лопаток 56 II ступени и образования разгрузочной полости В, уменьшающей осевую нагрузку, воспринимаемую шарикоподшипниками промежуточной 22 и средней 18 опор. Kopпyc III ступени состоит из двух наружных колец 54 и 58, соединенных болтами 55, спрямляющих лопаток 56 и стенки 57. Лопатки вставляются своими Т-образными верхними полками в соответствующие им пазы в корпусе, к нижним полкам лопаток болтами 60 крепится стенка 57. Стенка 57 состоит из внутреннего кольца, конусной стенки и корпуса лабиринтов, сваренных между собой точечной сваркой, и разделяет полости с высоким и низким давлением воздуха. В зазор между внутренним кольцом и диском IV ступени проходит воздух. Далее этот воздух через отверстия вала попадает внутрь вала ротора низкого давления и через внутреннюю полость вала ротора турбины II ступени идет на охлаждение роликоподшипника и диска ротора турбины II ступени. Во внутреннее кольцо стенки 57 вставлено кольцо, внутренний диаметр которого латунирован и образует лабиринт совместно с гребешками на валу ротора низкого давления.

Стыки корпусов I, II, III ступеней, а также стык корпуса III ступени и статора высокого давления стянуты соответственно болтами 49, 55 и 59, из которых одна треть - призонные.

Статор высокого давления служит для размещения спрямляющих аппаратов IV, V,VI и VII ступеней и имеет продольный монтажный разъем в горизонтальной плоскости. Стык по разъему стянут призонными болтами.

Статор высокого давления состоит из корпуса 64 IV-V ступеней и корпуса 69 VI - VII ступеней, стыки которых притянуты друг к другу болтами 66, часть из которых призонные. Спрямляющие лопатки статора высокого давления крепятся к корпусам верхними Т-образными полками, которые вставляются в соответствующие такие же Т-образные пазы, выполненные в корпусах. К нижним полкам лопаток крепятся внутренние полукольца 63 при помощи заклепок 62. Полукольца имеют цилиндрические пояски над гребешками воздушных лабиринтов на дисках ротора высокого давления. Спрямляющие аппараты от перемещения в окружном направлении зафиксированы сухариками, упирающимися в продольный разъем.

Статор высокого давления прикреплен задний фланцем к наружному кольцу заднего корпуса при помощи призонных болтов.

Корпус компрессора I ступени и спрямляющие лопатки I-УП ступеней изготовлены из титанового сплава. Корпусы компрессора II-VII ступеней изготовлены из стали.

Корпус компрессора I ступени имеет на внутренней поверхности поясок с легкосрабатываемым покрытием, расположенный над лопатками II ступени ротора компрессора.

Для обеспечения осмотра лопаток ротора компрессора без разборки двигателя, в стенках корпусов компрессора выполнены специальные окна, закрываемые заглушками. Окна для осмотра лопаток II, III и IV ступеней ротора компрессора расположены над лопатками ротора компрессора II- IV ступеней и закрываются заглушками 48, которые крепятся к корпусам компрессора на шпильках 77 с помощью гаек 76. Для облегчения снятия заглушек 48 в них предусмотрено по резьбовому отверстию под съемник. Окна для осмотра лопаток IV-VIII ступеней ротора компрессора расположены над спрямляющими лопатками IV-VII ступеней компрессора и закрываются быстросъемными заглушками 73, удерживающимися в корпусах компрессора с помощью пружин 72. Для снятия заглушки 73 необходимо нажать на заглушку и развернуть ее на 90°.

.2.2 Ротор низкого давления

Ротор низкого давления (рис.3) состоит из неразборного узла дисков II (поз.34) и III (поз.24) ступеней с лопатками 15 и 16 и съемного колеса 6 I ступени с обтекателем (коком) 1.

Диск 34 II ступени посажен с натягом в диск 24 III ступени. Диски связаны радиальными штифтами 17 в узел, который напрессован на вал 25 ротора в горячем состоянии и затянут гайкой 40. Между дисками установлена распорная втулка 36. Крутящий момент от вала к дискам передается с помощью шлицев "а". В диафрагмах дисков выполнены отверстия для разгрузки диафрагм от перепада давления воздуха и для уменьшения осевой силы на шарикоподшипник промежуточной опоры путем выравнивания давления воздуха по обеим сторонам дисков. Осевая сила на ротор получается только от сил, действующих на лопатки ротора и диск I ступени компрессора.

Вал имеет радиальные отверстия "б" для подвода воздуха на охлаждение турбины.

На рисунке 3: а - шлиц; б - отверстия забора воздуха; 1 - кок; 2, 9,14, 20, 42 - болты; 3, 8,17,19, 33 - штифты; 4 - кольцо диска I ступени (переднее); 5,11,13, 21, 41 - контровочные шайбы; 6 - диск I ступени; 7 - лопатка I ступени; 10 - кольцо диска I ступени (заднее); 12 - кольцо II ступени; 15-лолатка II ступени; 16 - лопатка III ступени; 18 - кольцо III ступени; 22, 23 - балансировочные грузики; 24 - диск III ступени; 25 - вал; 26, 39 - стопоры; 27, 49 - гайки подшипников; 28, 35, 50 - кольцедержатели; 29- шарикоподшипник; 30 - втулка промежуточного подшипника; 31, 40, 55 - гайки; 32-стопорное кольцо; 34 - диск II ступени; 36, 46 - распорные втулки; 37 - шпонка; 38 - пружинная шайба; 43 - шлицевой замок; 44 - втулка; 45 - шестерня; 47, 52, 54 - замки; 48 - роликоподшипник; 51 - пробка; 53 - шлицевой болт.

Лопатки 15 и 16 II и III ступеней закреплены в дисках замками типа "ласточкин хвост"; в осевом направлении лопатки II ступени зафиксированы штифтами 19 и кольцом 12, лопатки III ступени - кольцом 18.

Диск 6 I ступени расположен консольно относительно опор ротора. Лопатки 7 I ступени закреплены в диске замками типа "ласточкин хвост" и зафиксированы в осевом направлении штифтами 3 и 8. Штифты закреплены кольцами 4 и 10, предотвращающими их выпадание и провертывание. Диск посажен на вал с малым натягом и закреплен с помощью шлицевого болта 53 и гайки 55, которая контрится замком 54. Болт введен в вал и повернут в проточке на полшлица для обеспечения упора торцев шлицев болта в торцы шлицев вала. В таком положении болт законтрен шлицевым замком 43; выступ болта входит в паз замка, а шлицы замка находятся в шлицах вала. Осевому перемещению шлицевого замка препятствует хвостовик диска I ступени. Люфте шлицевого замка в пределах зазоров, из-за которого при вращении ротора может возникнуть посторонний шум, препятствует пружинная шайба 38.

Лопатки I ступени подобраны и расставлены в диске; исходя из условия определенной разночастотности собственных колебаний рядом стоящих лопаток и получения определенной разночастотности колебаний в комплекте.

Крутящий момент от вала к диску I ступени передается шлицами на валу и диске I ступени.

Между торцами вала и диска I ступени закреплен передний кольцедержатель 50.На гайке крепления дисков II и III ступеней закреплен болтами 42 задний кольцедержатель - лабиринт 35.

Кок 1 сварной конструкции, изготовленный из листовой стали, центрируется по проточке обода диска I ступени и прикреплен к диску I ступени шлицевым болтом 53 и пробкой 51, которая законтрена замком 52. Для предохранения от обледенения кок снаружи имеет специальное покрытие и дополнительно обогревается воздухом, отбираемым за VIII ступенью компрессора. Воздух проходит через полую лопатку спрямляющего аппарата, сверления в передней опоре 38 (рис.1) и крышке 34 в лабиринтную полость Д и далее, через сверления в ступице диска I ступени 6 (рис.3), - во внутрь шлицевого болта 53 и в полость между корпусом и экраном кока. Воздух выходит в воздушный тракт на входные кромки перьев лопаток I ступени через специальные фрезеровки на коке.

Ротор низкого давления имеет две опоры. Передней опорой, воспринимающей радиальные нагрузки, служит роликоподшипник 48. Роликоподшипник крепится на валу с помощью гайки 49 через распорную втулку 46 и шестерню 45. Гайка законтрена замком 47. Задняя опора представляет собой радиально-упорный шарикоподшипник 29 и называется промежуточной опорой двигателя. Внутреннее разъемное кольцо шарикоподшипника закреплено гайкой 27 на втулке 30 промежуточного подшипника вместе с кольцедержателем 28. Гайка законтрена стопором 26. Втулка 30 посажена на вал ротора с незначительным зазором и закреплена гайкой 31, законтренной стопорным кольцом 32. Наружное кольцо шарикоподшипника установлено в цапфе ротора высокого давления.

Осевая сила, действующая на ротор низкого давления, воспринимается промежуточной опорой и передается через детали ротора высокого давления на среднюю опору двигателя. Ротор низкого давления отбалансирован в определенной последовательности, Дисбаланс вала 25 ограничивается до незначительной величины. Со снятой втулкой 30 узел дисков II и III ступеней с лопатками отбалансирован постановкой грузиков 22 и 23, которые крепятся на дисках с помощью болтов 20 и 14. Болты фиксируются контровочными шайбами 21 и 13. На диске I ступени (без лопаток) определяется дисбаланс на технологической оправке. Постановка лопаток I ступени производится с учетом этого дисбаланса. Диск I ступени с лопатками и коком балансируется динамически в сборе с отбалансированным узлом дисков II и III ступеней постановкой балансировочных болтов 2 и 9, которые фиксируются контровочными шайбами 5 и 11. Окончательно допустимый дисбаланс ротора низкого давления на подшипниках обеспечивается поворотом или заменой втулки 30, которая в окружном направлении фиксируется штифтом 33.

Диски I и II ступеней с лопатками изготовлены из стали, диск III ступени с лопатками - из титанового сплава.

2. Расчёт рабочей лопатки первой ступени компрессора низкого давления двигателя Р-95Ш на прочность

.1 Исходные данные и допущения

= 0,192 м - длина пера лопатки= 0,118 м - хорда концевого сечения= 0,102 м - хорда корневого сечения

Рабочая лопатка первой ступени КНД двигателя Р95Ш рассчитывается только на растяжение от центробежных сил. Расчет на изгиб от аэродинамических сил не производиться ввиду недостатка исходных расчетных данных.

С целью расчёта рабочей лопатки на прочность разобьём её пятью сечениями, равномерно распределёнными по высоте пера лопатки, на четыре участка. Площадь участка будем считать постоянной по длине и равной по величине , а центр масс расположенным на среднем радиусе участка  (рис.2.1).

Рисунок 2.1 - Схема разбиения пера рабочей лопатки

- радиус i-ого сечения- радиус (i-1)-ого сечения

 - площадь i-ого сечения

 - площадь (i-1)-ого сечения

 - расстояние от корневого до i-ого сечения

.2 Определение площади поперечного сечения лопатки

Площадь поперечного сечения F пера лапотки изменяется по сложному закону. Для того чтобы оценить характер распределения напряжений растяжения по длине пера лопатки воспользуемся осреднённым законом распределения площадей:

  (2.1)

 (2.2)

где - площадь поперечного сечения лопатки в корневом сечении;

- площадь поперечного сечения лопатки в концевом сечении;

- коэффициент, зависящий от соотношения площадей в концевом и корневом сечениях лопатки;

 - показатель, определяющий степень изменения площадей поперечного сечения по длине пера лопатки;

 - длина пера лопатки;

- расстояние от корневого до соответствующего сечения.

Площадь поперечного сечения рабочей лопатки компрессора изменяется по сложному закону, поэтому принимаем  = 0,6 [1, стр.172].

Для определения площадей поперечного сечения концевого и корневого сечений лопатки воспользуемся приближённой формулой:= 0,7·b·Cmax (2.3)

Максимальная относительная толщина профиля  определяется по формуле:

  (2.4)

Определив величину  и размер хорды b, можно вычислить максимальную толщину профиля Cmax:

 (2.5)

Принимаем - для концевого сечения,

- для корневого сечения [2, стр.71].

мм

мм

Находим площади концевого и корневого сечений

м2

м2

 м

м2

м2

м2

Рабочая лопатка компрессора двигателя изготовлена из материала 14Х17Н2 [3]. Плотность материала 7860 кг/м3 [3]. Частота вращения лопатки составляет n = 11200 об/мин.

Определяем угловую скорость вращения рабочей лопатки:

, рад/с (2.6)

 рад/с

.3 Определение напряжений растяжения от инерционных сил

Рабочие лопатки ГТД работают при высоких окружных скоростях. Центробежные силы вызывают значительные напряжения растяжения.

Растягивающее напряжение в i-ом сечении равно:

 (2.7)

где F(R) - площадь поперечного сечения лопатки, находящегося на расстоянии R от оси вращениян - радиус концевого сечения лопатки

 - плотность материала

 - угловая скорость вращения ротора

При разбиении лопатки на участки (рис. 2.1) центробежная сила i-ого участка может быть подсчитана по формуле:

 (2.8)

где

Растягивающее напряжение в i-ом сечении равно:

  (2.9)

Подставляя численные значения плотности материла лопатки, угловой скорости вращения ротора и площадей поперечного сечения, получим напряжения растяжения для каждого сечения:

-0:  МПа.

-1:

 Н;

-2:

-3:

-4:

.4 Определение суммарных напряжений

Суммарные напряжения в пере лопатки представляет собой сумму напряжений растяжения от действия центробежных сил и изгиба от действия газодинамических сил:

 (2.10)

Расчёт на изгиб от газодинамических сил не производится ввиду недостатка исходных данных. Суммарное напряжение определяется из условия:

  (2.11)

.5 Распределение температуры в рабочих лопатках

У лопаток компрессора низкого давления первой ступени температуру во всех сечениях лопатки по длине можно считать постоянной и принять равной температуре на выходе из входного устройства двигателя. Поэтому принимаем для расчетов температуру, равной 20ºС.

.6 Определение запаса прочности лопатки

Основным критерием прочности лопатки является запас прочности по напряжениям. Запас прочности представляет собой отношение предельного напряжения, при котором происходит разрушение материала, к наибольшему напряжению, действующему в каком-либо сечении или точке лопатки.

В качестве предельного напряжения принимаем предел прочности . Для температуры в сечениях рабочей лопатки по справочнику [3] определяем пределы  для всех сечений. Результаты заносим в таблицу 2.1

Запас прочности по напряжениям  вычисляется по формуле:

 (2.18)

Составляем итоговую таблицу исходных и расчётных данных по сечениям пера рабочей лопатки (табл.2.1).

Таблица 2.1-Исходные и расчетные данные по сечениям пера рабочей лопатки

На основе полученных расчётных данных строим графики изменения растягивающих напряжений, суммарных напряжений и коэффициентов запаса прочности вдоль пера лопатки (рис.2.2,2.3).

Рисунок 2.2 - Изменение суммарных и растягивающих напряжений вдоль длины лопатки

Рисунок 2.3 - Изменение запаса прочности по напряжениям  вдоль пера лопатки

На основе анализа полученной зависимости изменения запаса прочности  вдоль пера лопатки делаем вывод, что опасным является сечение 4-4, поскольку в этом сечении запас прочности является минимальным.

Для опасного сечения проверяем выполнение условия прочности:

> [] (2.19)

турбореактивный двигатель лопатка компрессор

- минимальное значение запаса длительной статической прочности

[] - допускаемый запас длительной статической прочности

[] = 2,0…2,5

= 2,3

,3 > 2,0 - условие прочности выполняется.

Вывод: определили величины напряжений растяжения от действия инерционных сил, суммарных напряжений, действующих в различных сечениях пера рабочей лопатки компрессора низкого давления двигателя

Р-95Ш, а также рассчитали запасы прочности в этих сечениях. На основе расчётных данных определили опасное сечение и проверили выполнение условия прочности в этом сечении.

3. Расчёт диска первой ступени компрессора низкого давления двигателя Р-95Ш на прочность

.1 Исходные данные и допущения

Расчет диска на прочность производится при следующих допущениях:

а) рассматривается симметричная форма диска в срединной плоскости;

б) диск является осесимметричным телом, наличие отверстий и бобышек, отдельных выступов и проточек не учитывается;

в) контурная нагрузка от центробежных сил лопаток осесимметрична, действует в плоскости симметрии диска и равномерно распределена по всей поверхности внешнего контура;

г) температура изменяется по радиусу диска и равномерно распределена по его толщине;

д) по толщине диска напряжения неизменны, осевые напряжения равны 0;

е) замковая часть в расчетах не учитывается, т.к. в ней действует много посторонних факторов(срез, смятие).

После эскизной проработки конструкции диска известны все его геометрические параметры. Диск разбивается на 16 кольцевых элементов с помощью 17 сечений (рис.3.1). Площади колец в расчетной схеме эквивалентны площадям в реальном диске. В каждом сечении определяем значения R и h. Известны также величины   σк, z, f, Rf, , Fк. Материал диска:10Х11Н23Т3МР.

ρ = 7900 кг/м3 - плотность материала;

= 1172,86 рад/с - угловая скорость вращения диска;

σрк = 289,04 МПа - напряжение в корневой части лопатки;= 24 - число лопаток;

Рисунок 3.1 - Расчетная модель диска

= 215·10-6 м2- площадь сечения обода;= 0,125 м - радиус центра тяжести сечения обода диска;

,35 - коэффициент Пуассона;к = 58,26·10-5 м2 - площадь корневого сечения лопатки;= 0,03 м - толщина диска в n - ом сечении;

У диска компрессора низкого давления первой ступени температуру во всех сечениях диска по длине можно считать постоянной и принять равной температуре на выходе из входного устройства двигателя. Поэтому принимаем для расчетов температуру, равной 20ºС.

Для каждого сечения значения физико-механических характеристик материала принимаем E, , t[2].

Задаем значение напряжений в 1ом сечении для первого и второго расчетов:

 МПа,

 МПа.

3.2 Проведение первого расчета

Проводим первый расчет для каждого сечения, при условии . Для этого последовательно переходя от одного сечения к другому, находим:

а)  соответственно тангенциальные и радиальные приращения в пределах кольцевого сечения при переходе от сечения i к сечению i+1 по формулам:

 (3.1)

 (3.2)

б)  напряжения на внешнем радиусе участка по формулам:

  (3.3)

  (3.4)

в)  результирующие тангенциальные и радиальные напряжения:

 (3.5)

  (3.6)

Для 1 - ого сечения:

Для 2 - ого сечения:

м;

3.3 Проведение второй расчета

Проводим второй расчет тех же величин, что и в предыдущем пункте с учетом ω = 0.

У диска компрессора низкого давления первой ступени температуру во всех сечениях диска по длине принимаем постоянной, следовательно

Определяем

Для 1-го сечения:

Для 2-ого сечения:

м;

Оставшиеся сечения рассчитываем на прочность с применением ЭВМ. Результаты заносим в таблицу 3.1.

.4 Определение радиальных напряжений в n-ом сечении

Определяем радиальные напряжения в 17 сечении по формуле:

.5 Определение коэффициента согласования напряжений

Определяем коэффициент согласования напряжений φ по формуле:

Отсюда

.

3.6 Определение напряжений в i-ом сечении

Определяем напряжения в i-ом сечении по формулам:

Для 1-ого сечения:

Для 2-ого сечения:

.7 Определение расчетных значений напряжений

Определяем расчетные значения напряжений, как среднее по сечению по формулам:

Для 1-ого сечения:

Для 2-ого

.8 Определение эквивалентных напряжений

Определяем эквивалентные напряжения в каждом сечении по формуле:

где главные напряжения, выбираются из условия:

а) если и ,то ;

б) если , то а

Коэффициент

Для 1-ого сечения:

Для 2-ого сечения:

.9 Определение коэффициента запаса прочности

Определяем коэффициенты запасы прочности  в каждом сечении по формуле:

Для 1-ого сечения:

Для 2-ого сечения:

Оставшиеся сечения рассчитываем на прочность с применением ЭВМ. Результаты заносим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Исходные и расчетные данные по сечениям диска

На основе полученных расчётных данных строим графики изменения тангенциальных, радиальных и эквивалентных напряжений и коэффициентов запаса прочности вдоль сечения диска (рис.3.2,3.3).

Рисунок 3.2 - Изменение радиальных, тангенциальных и эквивалентных напряжений по сечению диска

Рисунок 3.3 - Изменение запаса прочности по сечению диска

На основе анализа полученной зависимости изменения запаса прочности  вдоль сечения диска и сравнении его с примером, приведенном в [2,стр. 297] делаем вывод, что опасным является сечение 1, поскольку в этом сечении запас прочности является минимальным.

Для опасного сечения проверяем выполнение условия прочности:

> []

- минимальное значение запаса прочности,

[] - допускаемый запас прочности,

По рекомендациям [2] [] = 1,3…1,8

= 1,32

,32 > 1,3 - условие прочности выполняется.

Вывод: определили величины радиальных, тангенциальных и эквивалентных напряжений, действующих в различных сечениях диска первой ступени компрессора низкого давления двигателя Р-95Ш, а также рассчитали запасы прочности в этих сечениях. На основе расчётных данных определили опасное сечение и проверили выполнение условия прочности в этом сечении.

4. Патентно-исследовательская часть

Задавшись целью исследовать различные варианты конструкции осевого компрессора газотурбинного двигателя и видов доработок ее элементов, изучили и проанализировали содержание трех патентов на конструктивные особенности лопаток осевого компрессора ГТД.

Приведем краткое описание каждого изобретения, а также отметим существующие достоинства и недостатки.

.1 Патент №1(2382911). Полая лопатка вентилятора

Описание

Изобретение относится к двигателестроению, а более точно касается конструкции рабочей лопатки вентилятора, преимущественно, газотурбинного двигателя летательного аппарата, и обеспечивает при своем использовании увеличение жесткости и отстройку частот при пластинчатых формах колебаний оболочечных участков полой лопатки от внешних источников возбуждения за счет наддува газа в полость лопатки. Указанный технический результат достигается в полой лопатке вентилятора, содержащей аэродинамически профилированную герметичную оболочку и конструктивные элементы, размещенные внутри оболочки, выполненные в виде ребер, создающих, по меньшей мере, две сообщающиеся ячейки, содержащих газообразную среду с избыточным давлением внутри ячеек в качестве конструктивного элемента для придания жесткости и отстройки по резонансным частотам от пластинчатых форм колебаний оболочечных участков внешних листов лопатки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а более точно касается конструкции рабочей лопатки вентилятора преимущественно газотурбинного двигателя летательного аппарата. В настоящее время для снижения массы применяют облегченные - полые или из композитных материалов лопатки вентилятора.

Известны лопатки вентилятора, содержащие продольное полое перо (патент РФ 1304512).Известна рабочая лопасть вентилятора, содержащая полое перо и сотовый наполнитель, расположенный в его полости (патент РФ 1147097, опубл. 1983 г.). Для улучшения демпфирующих свойств с целью повышения надежности работы в ячейках сотового наполнителя размещены грузики. Грузики могут иметь форму шара, цилиндра или ячейки. Грузики могут быть выполнены также из материалов с различными модулями упругости.

Известна полая лопатка осевого вентилятора выполненная из двух полулопаток и содержащая в полости ячеистый заполнитель, (патент РФ 1815873), зафиксированный на поверхности одной полулопатки. Элементы заполнителя выполняются объемными, звездообразной формы, с тремя или более упругими лучами и размещены в полости с определенным шагом.

Известен вентилятор турбореактивного двигателя, содержащий лопатку, имеющую основное продольное направление, вдоль которого расположены центральная зона, образующая сердечник, и периферическая зона, образующая оболочку, охватывающую сердечник, причем сердечник и оболочка образуют между собой металлургическое соединение. Оболочка и/или сердечник выполнены из материала, содержащего металлическую матрицу, при этом один из материалов является композитным материалом с металлической матрицей, содержащей усилительные элементы, рассредоточенные в металлической матрице (заявка РФ 2005105069).

Известна лопатка вентилятора, содержащая обечайку с хвостовиком и внутренней полостью, в которой размещены наполнитель и силовые элементы. С целью увеличения прочности и жесткости наполнитель и силовые элементы размещены в части внутренней полости определенной высоты. Остальная часть полости заполнена полыми шариками, например, из керамики (патент РФ 1267840).

Известные технические решения увеличение прочности достигают путем размещения внутри полости лопатки дополнительных конструктивных элементов, что приводит в увеличению массы лопатки. При применении полых лопаток возникает другая проблема - из-за введения полостей возрастает чувствительность лопатки к удару посторонними предметами, а также к резонансным колебаниям по пластинчатым формам оболочек лопатки, что может привести к разрушению лопатки, а в критических случаях и к повреждению двигателя. Возможным решением снижения повреждаемости в полых лопатках является увеличение жесткости во внутренних сечениях за счет утолщения боковых стенок между ребрами, утолщения самих внутренних ребер, сокращения расстояния между ними, что, в свою очередь, приводит к увеличению массы.

Известна полая лопатка вентилятора газотурбинного двигателя из двух наружных обшивок, которые соединяются между собой такими внутренними упрочняющими элементами, как ребра или мостики, установленные в двух пересекающихся диагональных направлениях относительно продольного и поперечного направления лопатки (патент Великобритании 2272731 от 1994).Для придания жесткости может быть применено как местное изменение толщины спинки и/или корыта, так и введение дополнительного листа в виде гофра внутрь профильной части. Наиболее близким техническим решением является известная полая, лопатка, отстроенная по резонансным частотам (патент США 6033186, опубл. 2000 г.). Внутри полости лопатки определенным образом размещены ребра для увеличения изгибной и крутильной жесткости пера лопатки и увеличения разницы частот между смежными крутильными и изгибными резонансными формами колебаний. В корневом сечении пера лопатки полости как правило не размещают. Для сохранения лопаткой аэродинамического профиля и обеспечения внутреннего демпфирования применяется наполнитель, например, резиновый каучук, заполняющий полости. Для дополнительного снижения массы возможно применение множества отверстий, проходящих через ножку лопатки и заканчивающихся, вблизи полостей. Данные отверстия не сильно изменяют изгибную/крутильную жесткость лопатки. Для изменения какой-либо резонансной частоты лопатки вводят дополнительные ребра.