Весна 17 курс 4 ОрТОР / Конструкция и прочность АД / Образец

Министерство транспорта Российской Федерации (Минтранс России)

Федеральное агентство воздушного транспорта (Росавиация)

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный

университет гражданской авиации»

Курсовая работа по предмету:

«Конструкция и прочность АД»

на тему: «Анализ прочности рабочей лопатки

первой ступени турбины ГТД»

Выполнил:

Студент 4 курса ФАИТОП

Группы №834

Опришко Павел Андреевич

Подпись_____________

Проверил:

Профессор, д.т.н. каф. №24

Тарасов Владислав Николаевич

Оценка_____________

Дата_____________

Подпись_____________

Санкт-Петербург

2017

Анализ статической прочности

Цель работы

Сделать заключение о выполнении или невыполнении условия прочности рабочей лопатки первой ступени турбины, при действии статических нагрузок на взлётном режиме работы двигателя в условиях, соответствующих исходным данным.

В случае выполнения условия прочности необходимо определить наиболее слабое с точки зрения прочности сечение лопатки.

Исходные данные

В данном случае для анализа статической прочности используется рабочая лопатка первой ступени турбины ГТД ТВ-2-117, после 100 часов нагрузки взлётного режима.

- плотность материала лопатки;

- время работы двигателя на взлётном режиме;

- минимально допустимый запас прочности;

- частота вращения ротора на взлётном режиме;

- радиус корневого сечения пера лопатки;

- радиус концевого сечения пера лопатки;

- площадь поперечного сечения в корневой части пера лопатки;

- площадь поперечного сечения в концевой части пера лопатки;

- сосредоточенная масса бандажной полки лопатки;

- полная температура на входе первой ступени турбины.

Ход работы

Определим шаг изменения радиуса сечений по длине пера лопатки используя формулу:

где z – установленное число сечений.

Пусть z = 6, тогда согласно формуле получим:

Получим шесть значений радиуса сечений по длине пера лопатки:

Определим напряжения, возникающие от действия центробежных сил, действующие на массу пера лопатки в n - ом сечении по закону:

где – циклическая частота вращения ротора;

– коэффициент сужения лопатки;

Определим значения напряжений от центробежных сил, действующих на массу бандажной полки в каждом сечении пера лопатки. Расчёт производится по формуле:

где – сосредоточенная масса бандажной полки.

Напряжения изгиба от газодинамических сил в каждом сечении пера лопатки определим по упрощённой методике:

где m – коэффициент пропорциональности (для лопаток с бандажной полкой m = 0,25).

В общем случае суммарные действующие напряжения в каждом сечении пера лопатки определяются суммой напряжений от центробежных и газодинамических сил в этих сечениях.

Результаты термометрирования двигателей в стендовых условиях позволяют получить эмпирическую зависимость, которая с достаточной степенью точности описывает распределение температуры по высоте пера лопатки:

где - температура газа на входе в турбину, .

Далее следует воспользоваться характеристиками длительной прочности жаропрочного сплава ЖС-6К, и определить допустимые напряжения в каждом сечении пера лопатки по формулам:

Будем производить расчёт по второй формуле, т.к. .

839,81

Найдём коэффициент запаса прочности для каждого сечения.

По полученным данным построим график изменения коэффициента запаса прочности по длине пера лопатки.

Вывод

По полученным данным представленным на графике видно, что условие запаса прочности удовлетворяется не по всем сечениям пера лопатки. С третьего сечения наблюдается несоответствие коэффициента запаса прочности минимально допустимому значению

При этом из данных видно, что наиболее вероятным разрушение будет в пятом сечении, так как его коэффициент запаса прочности самый низкий из шести рассматриваемых сечений.

Для повышения запаса прочности следует снизить температурные нагрузки на лопатку путём её охлаждения или снижения полной температуры на входе в турбину, что снизит тяговые показатели двигателя. Также можно увеличить площадь поперечного сечения или установить в корневой части пера бандажную полку. Целесообразно использовать при изготовлении лопаток более жаропрочную сталь. В настоящее время на двигателе ТВ2-117, устанавливаемом на вертолётах Ми-8Т, лопатки первой ступени турбины имеют две бандажные полки, в корневой и концевой её частях. Лопатки изготовлены из жаропрочной деформируемой стали ЭИ-867, температура газа на входе в турбину на взлётном режиме не превышает 850. Воздухом охлаждается только замковая часть лопатки и обод диска.

Анализ динамической прочности

Исходные данные

– длина рабочей лопатки;

– хорда профиля лопатки;

– максимальная толщина профиля;

– максимальное отстояние средней линии от хорды профиля;

– число лопаток соплового аппарата первой ступени турбины;

– число форсунок в камере сгорания;

– обороты малого газа;

– обороты на взлётном режиме;

– плотность сплава лопатки;

– модуль упругости сплава.

Ход работы

Цель анализа заключается в проверке наличия опасных резонансных режимов работы исследуемой детали в рабочем диапазоне частот вращения ротора и в резервных зонах близи частот малого газа и взлётного режима.

Прежде всего необходимо вычислить частоты собственных колебаний рабочей лопатки по первым трем изгибным формам. Считается что при наличии резонансов по первым трем изгибным формам, выход действующих напряжений за предел усталостной прочности материала является наиболее вероятным.

Частота собственных колебаний по первой изгибной форме определяется зависимостью:

где – коэффициент, учитывающий степень изменения площади сечения рабочей лопатки по её высоте.

Для расчёта момента инерции корневого сечения рабочей лопатки в направлении минимальной жесткости используется эмпирическая зависимость:

Остальные более сложные формы колебаний характеризуются частотами, которые приближенно описываются формулами:

При построении частотной диаграммы принимается допущение о том, что частота собственных колебаний не зависит от частоты вращения ротора. При расчёте частот изменения возмущающих сил во внимание следует принимать наиболее существенные газодинамические неоднородности, создаваемые лопатками соплового аппарата первой ступени турбины и форсунками камеры сгорания.

Тогда:

– частота возмущающей силы, вызванной наличием сопловых аппаратов, 1/с;

– частота возмущающей силы, вызванной наличием форсунок, 1/с;

– число лопаток соплового аппарата первой ступени турбины и число форсунок в камере сгорания;

n – частота вращения ротора, об/мин.

Линии изменения частот возмущающей силы и частот собственных колебаний наносятся на график в координатах .

В случае близости резонансных точек к границам рабочего диапазона оборотов ротора двигателя определяется запас по частоте вращения.

Если в рабочем диапазоне частот вращения ротора окажутся резонансные точки, то делается вывод о том, что рабочая лопатка не удовлетворяет требованиям динамической прочности.

n_мг

n_взл

Вывод

Из анализа частотной диаграммы можно сделать вывод о том, что лопатка первой ступени турбины не соответствует требованиям динамической прочности, так как возмущающая сила, вызванная наличием форсунок создаёт резонансную точку на рабочем диапазоне частот, пересекаясь с частотой первой формы собственных колебаний лопатки.

Способом вывода резонансных режимов работы за пределы рабочего диапазона частот вращения ротора можно считать уменьшение числа форсунок до 6, что сместит резонансную точку за границу рабочих режимов. При запуске и останове двигателя будет наблюдаться резонанс от возмущающей силы сопловых аппаратов, но он не критичен так как происходит за границей рабочего диапазона.

Список использованной литературы

1. Макаров Н.В. «Конструкция и эксплуатация авиадвигателей, воздушных судов и авиационные материалы: Методические указания к выполнению I части курсового проекта «Авиационные двигатели».» - 1990г. -48 с.

2. Богданов А.Д., Хаустов И.Г.: «Авиационный турбовинтовой двигатель ТВ2-117». 1970г., стр. 1 – 327.

3. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. и др. «Газотурбинные двигатели. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок» 2007г.