Расчет турбины высокого давления двигателя Д-30

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………...	3
Выбор конструктивной схемы проектируемого узла…………………………..	4
Описание конструкции спроектированного узла……………………………….	4
Расчёты на прочность и колебания………………………………………………	6
Расчёт пера рабочей лопатки на прочность…………….…………………	6
Исходные данные………………………………………………………	6
Расчёт геометрических характеристик сечений пера лопатки……...	8
Подготовка данных для расчета в программе UISAPR…..………….	9
Расчет лопатки на прочность в программе UISAPR…………………	11
Расчёт рабочей лопатки на колебание……………………………………..	14
Расчет собственной частоты колебаний лопатки в программе UISAPR…………………………………………………………………	14
Определение динамических частот колебаний лопатки, соответствующих режимам работы двигателя максимал – малый газ…………………………………………………………..…………...	15
Определение формы колебаний, при котором наступит резонанс……………………………………………..………………….	15
Расчёт диска на прочность………………………………………………….	16
Подготовка данных для расчета данных в UISAPR …………………	16
Расчёт диска на прочность в программе UISAPR …………………..	17
Расчёт вала на критические обороты………………………………………	19
Подготовка данных для расчета в программе UISAPR …………….	19
Расчет вала на критические обороты в программе UISAPR ……….	20
Патентное исследование………………………………………………………….	21
. Краткое описание патентов………………………………………………….	21
4.2. Анализ патентов……………………………………………………………..	38
Заключение…………………………………………………………………………..	42
Список  литературы………………………………………………………………….	43

 

 

ВВЕДЕНИЕ

     В данном курсовом проекте в качестве прототипа выбран двигатель Д-30.

     Двухконтурный двигатель Д-30 I серии с 1966 по 1977 гг. устанавливался на пассажирские самолеты Ту-134. Д-30 построен по двухвальной схеме  со смешением потока газа наружных и внутренних контуров, состоит из пятиступенчатого осевого компрессора низкого давления (π_кнд = 2,5), десятиступенчатого компрессора высокого давления (π_квд = 7,4), кольцевой камеры сгорания с 12 форсунками, двухступенчатой турбины высокого давления, двухступенчатой турбины низкого давления.

  

    Рисунок 1.1 - Внешний вид двигателя Д-30 

     Исходные  данные для проектирования узла взяты  из курсовых проектов по дисциплинам  "Теория и расчет авиационных двигателей" и "Теория лопаточных машин". В этих проектах был выполнен термогазодинамический расчет двигателя, выполнен расчет высотно-скоростных характеристик, а также газодинамический расчет каскада турбины высокого давления.

 

     

1. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО УЗЛА

     При выборе конструктивной схемы проектируемого узла за основу принята схема прототипа  Д-30.

     Узел  проектируемого прототипа имеет  2-х ступенчатую турбину высокого давления, которая приводит во вращение ротор компрессора высокого давления (КВД) и приводы агрегатов. Материал рабочей лопатки I ступени – сплав ХН70Ю, II ступени - сплав ЭИ 617.

     При разработке конструктивной схемы роторной части узла, способа закрепления рабочих лопаток в диске, схемы подвода и отвода смазки для опор ротора придерживались той схемы, которая была использована на рекомендованном прототипе. 

2. ОПИСАНИЕ  КОНСТРУКЦИИ СПРОЕКТИРОВАННОГО УЗЛА

     Статор  и ротор турбины высокого давления охлаждаемые. Крутящий момент передается с помощью вала, соединенного с  диском турбины болтом. Турбина 3-х  опорная. Количество лопаток z=75. Тип формы проточной части - с постоянным средним диаметром.

     Крутящий  момент от турбины к ротору компрессора высокого давления (КВД) и приводам агрегатов передается с помощью вала, соединенного с диском турбины болтом. ТВД состоит из двух сопловых аппаратов, опоры роликового подшипника и ротора ТВД. Сопловые лопатки выполнены методом точного литья и имеют внутреннюю и наружную полки, отлитые за одно целое с пустотелым пером и ребрами на его внутренней поверхностью. От осевого и окружного перемещения лопатки фиксируются в кольце радиальными штифтами. Между полочками соседних лопаток выдержан зазор, необходимый для предотвращения распора при тепловом расширении лопаток. Сопловой аппарат закреплён консольно, на полках. Использование воздушного охлаждения необходимо для рабочих лопаток  I ступени, выполненных из материала ХН70Ю, так как их температура равна 1400К (допустимой является 1170К). Для II ступени температура рабочих лопаток 1180К, что ниже допустимой.          

     Обеспечение минимального радиального зазора между  ротором и статором осуществляется легко истираемой металлокерамической вставкой.

     Допустимый  дисбаланс ротора 15∙10^-5 кг∙м. Направление вращения роторов КВД и КНД – против часовой стрелки (со стороны реактивного сопла).

     Передний  подшипник роликовый находится  до КВД, средний - шариковый находится  после КВД, задний расположен в непосредственной близости от диска I ступени турбины высокого давления. Подвод масла к подшипникам принудительный с помощью струйных форсунок.

     Материалы, используемые при конструировании узла, приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1
Наименование детали	Используемый  материал
Рабочие лопатки турбины	ХН70Ю (ЭИ652)
Диск  турбины	ХН78Т (ЭИ435)
Вал	ЭП741НП

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ И КОЛЕБАНИЯ

 

     На  основе результатов, полученных в предыдущих курсовых проектах, в данной работе ставится задача сконструировать каскад турбины высокого давления. Для этого была прорисована проточная часть ТВД, а так же в программе UISAPR выполнены расчеты, включающие в себя:

• Расчет рабочей лопатки на прочность;
• Расчёт рабочей лопатки на колебания;
• Расчет диска на прочность;
• Расчёт вала на колебания.

 

1. РАСЧЕТ  РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ  НА ПРОЧНОСТЬ

     При выполнении расчёта пера лопатки  на прочность производилась оценка минимального запаса прочности. Допустимые значения запаса прочности были приняты: . 

1. Исходные  данные

     Данные, необходимые для выполнения данного расчёта приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Исходные данные

№	Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
1	Расход рабочего тела через ступень	Gг	кг/c	68,284
2	Угловая частота вращения ротора	ω	рад/с	844,5669
3	Число лопаток  ступени	z		75
4	Высота лопатки	l0	м	0,04919
5	Плотность материала  лопатки (ХН70Ю (ЭИ652))	ρ	кг/м3	7900
6	Проекции окружных скоростей на входе в лопатку по сечениям	корневое среднее периферийное	м/с	538,878 574,942 616,181

 

Продолжение таблицы 3.1

7	Проекции окружных скоростей на выходе из лопатки по сечениям	корневое     среднее периферийное	м/с	159,4167 171,453 185,457
8	Проекции центробежных скоростей на входе в лопатку по сечениям	корневое   среднее периферийное	м/с	208,892 201,212 191,404
9	Проекции центробежных скоростей на выходе из лопатки по сечениям	корневое      среднее периферийное	м/с	242,12 222,038 212,607
10	Давление  рабочего тела на входе в лопатку	корневое     среднее ппериферийное	МПа	1,095 1,029 0,966
11	Давление  рабочего тела на выходе из лопатки	корневое     среднее периферийное	МПа	0,783 0,783 0,783
12	Температуры пера лопатки по сечениям	корневое     среднее   периферийное	К	1286,98 1280,21 1276,85
13	Длина хорды  пера лопатки по сечениям	корневое     b среднее   периферийное	м	50,24176 48,481339 46,46234
14	Толщина профиля пера лопатки по сечениям	корневое    d среднее   периферийное	м	0,009366 0,007646 0,005974
15	Угол профиля лопатки по сечениям	корневое    b среднее   периферийное		45,16° 37,254° 30,374°
16	Прогиб профиля  пера лопатки по сечениям	корневое     h среднее   периферийное	м	0,01629 0,15073 0,12437

 
 
 
 
 
 
 

2. Расчет  геометрических характеристик  сечений пера лопатки

     Разбиваем лопатку шестью сечениями по длине  на равные части (i=0…1) на пять равных частей. Нулевое сечение совмещаем с корневым, а первое с концевым (периферийным) сечением лопатки.

Пользуясь данными  таблицы 3.1, для каждого расчетного сечения определяем:

• площадь сечения лопатки
• координаты центров тяжести масс сечения
• главные центральные моменты

                                       (3.1)

                             (3.2)

     Координаты  самых удаленных точек пера лопатки  от центра масс по трем сечениям находим, используя программу КОМПАС. Полученные значения заносим в таблицу 3.2:

   Рисунок 3.1 - Корневое сечение 

   Рисунок 3.2 - Среднее сечение 
 

   

   Рисунок 3.3 -  Периферийное сечение 

3. Подготовка  данных для расчета  в программе UISAPR

     Используя данные таблицы 3.1, находим единичные газовые силы по оси X  и Y в среднем сечении, по формулам (3.1) и (3.2), допустив при этом, что распределение сил одинаково по всей высоте пера лопатки:

     

            (3.3)

     

                       (3.4),

     где - единичная газовая сила по оси Х,

             - единичная газовая сила по оси Y.

     Затем разбиваем лопатку шестью сечениями по длине (i = 0…5) на пять равных частей.  Шестое сечение совмещаем с корневым, а нулевое  – с концевым (периферийным) сечением лопатки, как показано на рисунке 3.4. 

Рисунок 3.4. - Схема разбиения лопатки на сечения

     Пользуясь методом интерполяции, находим параметры  в промежуточных сечениях 1,2,3,4.

     Полученные  значения параметров газа, геометрические характеристики пера лопатки, а так же единичные газовые силы, приведены в таблицах 3.2, 3.3 и 3.4 соответственно.