Кр. Курсовая работа. Департамент образования и науки города москвы государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение города Москвы
 Скачать 1.2 Mb.
|
|
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ГОРОДА МОСКВЫ Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение города Москвы «Политехнический колледж им. Н.Н. Годовикова» КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по профессиональному модулю ПМ.01 Конструкторско-технологический модуль по междисциплинарному курсу МДК 01.01 Основы конструкторской деятельности по специальности 24.02.02 Производство авиационных двигателей
Москва 2022 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 8 1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРОЧНОСТЬ ЛОПАТОК ГТД 10 1.1.Конструкции и расчеты схемы лопаток 10 Несмотря на многообразие лопаток компрессора и турбины (см. Рис 1), в их конструкции и нагружении имеется много общего. Это позволяет рассматривать их напряженное состояние с единых позиций, использовать при расчетах одни и те же расчетные схемы. 10 10 Рисунок 1 – Лопатки компрессора (а) и турбины (б) 10 Лопатки компрессора и турбины представляют собой тело сложной формы (см. Рис. 1) и состоят из профильной части (её часто называют «пером») и хвостовика. Кроме того, рабочие лопатки могут иметь антивибрационные (в компрессоре) или бандажные (в турбине) полки и удлинительную ножку. 10 Лопатки статора могут иметь элементы крепления и на внутреннем и на наружном концах пера. Характерные размеры лопаток меняются в широких пределах. Длина профильной части изменяется от нескольких миллиметров на последних ступенях компрессора малогабаритных двигателей до 1000 миллиметров и более в вентиляторах двигателей большой тяги. Хорда профиля составляет 0,1…1,0 длины профильной части. Максимальная относительная толщина профиля может составлять от нескольких процентов у широкохордных лопаток вентилятора до нескольких десятков процентов у лопаток турбины. 10 Нагрузки, действующие на лопатку, разделяют по характеру действия на статические и динамические. К первой группе относятся нагрузки, которые на стационарных режимах работы двигателя не изменяются, а на переходных изменятся достаточно медленно, чтобы можно было пренебречь возникающими при этом инерционными эффектами. 11 Это – газодинамические силы, действующие на поверхность профильной части лопатки, ротора и распределенные по объему. К группе статических нагрузок условно относят и температурные поля, так как неравномерность нагрева может вызывать деформацию и разрушение лопаток. 11 На Рис. 2 на примере рабочей лопатки компрессора показана используемая обычно система координат и схема действующих нагрузок. 11 1.2.Нагрузки от действия центробежной силы 16 Центробежные силы создают в пере большие напряжения растяжения, а также могут создавать изгиб лопатки. В зависимости от конструкции пера и расположения бандажных полок изгиб инерционной силой может иметь одинаковый или противоположный знак по сравнению с изгибом и аэродинамическими силами. 16 1.3.Нагрузки от действия газодинамической силы 23 Изгибающие моменты определяются на основании треугольника скоростей и статических давлений перед и за рабочим колесом в проекциях на координатные оси . 23 Примем правую систему осей координат (рис. 8). 23 24 Рис.8. К расчету лопатки на изгиб: 24 1– ось ротора 24 Начало координат помещается в центр инерции корневого сечения. Ось x направлена параллельно оси ротора в сторону осевой скорости воздуха, ось y – в сторону, противоположную окружной скорости касательно к окружности корневых сечений лопаток. Ось zявляется радиальной осью. 24 Методика определения изгибающих моментов является общей для компрессоров и турбин. В практических расчетах отличие состоит в знаках и величинах определяющих скоростей, давлений и получаемых моментов. 24 Интенсивность давления на лопатку аэродинамических сил в проекциях на координатные плоскости обозначим . Она определяется формулами 24 ; (12) 25 , (13) 25 где – шаг лопатки по окружности с координатой z,равный ; n – число лопаток; p,, , – статическое давление, плотность газа, осевые и окружные скорости за и перед рабочим колесом соответственно треугольникам скоростей; – массовый расход рабочего тела через лопаточную машину, отнесенную к единице проходного сечения. 25 Первый член в формуле (12) представляет собой разность статических давлений на участок лопатки, разный единице. Второй член – сила реакции, равная изменению количества движения воздуха или газа под действием лопаток. В направлении оси интенсивность определяется только изменением количества движения. 25 Для компрессора изменения осевых скоростей незначительно, поэтому интенсивность определяется разностью статических давлений и имеет отрицательный знак. Интенсивность положительная, так как лопатки компрессора создают закрутку воздуху и . 25 Для турбины имеет положительный знак, так как , а – отрицательный, так как . 25 Выделим на лопатке элементарный участок протяженностью dz(рис. 9) 25 26 Рис. 9. К расчету лопатки на изгиб газодинамическими силами 26 Компоненты газодинамических сил, действующие на элементарный участок, равны и . Элементарные моменты, создаваемые этими силами в сечении с координатой , определяются формулами 26 ; . (14) 26 Знаки моментов в формулах соответствуют общему правилу обхода координатных осей. Интегрируя, получим полные изгибающие моменты по осям xи y: 26 (15) 26 Ввиду сложности функций , которые в практических расчетах задаются в виде распределения по лопатке дискретных величин, интегрирование в формулах (15) ведется численными методами. 27 27 Рис. 10. Распределение изгибающих моментов вдоль пера лопатки 27 На рис.10 показано типическое распределение изгибающих моментов по сечениям лопаток. Для компрессорных лопаток эти моменты отрицательны (кривые 1). Это означает, что изгиб происходит в сторону, противоположную направлению окружной скорости колеса и осевой скорости воздуха. Для турбинных лопаток (кривых 2) изгибающие моменты действуют в направлении окружной скорости и по потоку газа. 27 В первичных ориентировочных расчетах изгибающие моменты оценивают, принимая постоянными по всей длине лопатки и вычисляемыми по параметрам воздуха или газа на среднем радиус колеса. Из (рис. 15) получаем 27 (16) 27 Расчет по этим формулам является весьма приближенным и требует в последующем уточнения по формулам (15). 28 Лопатки устанавливается на рабочем колесе под некоторым углом к плоскости колеса (рис. 11). 28 1.4.Колебания лопаток 31 Колебания лопаток создают большие дополнительные динамические напряжения в них, вызывают усталостные явления в материале. Вследствие этого с течением времени в различных местах лопаток появляются трещины, происходит их разрушение. Статистика показывает, что причиной большинства прочностных дефектов лопаток являются колебания. 31 Вибропрочность лопаток в значительной степени определяет долговечность, ресурс и надежность в целом. Поэтому в процессе проектирования и эксплуатации двигателей ей уделяется большое внимание. При проектировании задача состоит в том, чтобы наиболее достоверно оценить работоспособность лопаток, создать легкую и надежную их конструкцию. В процессе эксплуатации необходимо обеспечить правильную диагностику и постоянный контроль состояния лопаток. 31 Лопатка, как всякая упругая конструкция, обладает спектром собственных частот и форм колебаний. Эти показатели являются определяющими, так как полностью представляют динамические свойства лопаток, их способность отказывать на различные виды воздействий, определяют колебательные процессы лопаток. Поэтому расчет и исследование спектров собственных частот и форм колебаний лопаток является первой задачей при их проектировании. 31 Второй задачей является выявление источников возбуждения колебаний лопаток. Большинство из них связано с особенностями конструкций двигателей, с отклонениями параметров газа по окружности рабочего колеса от расчетных с многочисленными возмущениями, возникающими в газодинамическом тракте двигателя. Главной целью здесь является определение резонансных колебаний лопаток и связанных с ними режимов работы двигателя. 31 К сожалению, как правило, теоретически определить величину возмущающих сил и рассчитать амплитуды резонансных колебаний лопаток не представляется возможным. Резонансные колебания и факторы, влияющие на них, исследуются экспериментально и при натурных испытаниях двигателя. 32 Резонансные колебания, сопровождающиеся большими амплитудами и напряжениями в лопатках, не допускаются на эксплуатационных режимах двигателей. Поэтому разрабатываются и применяются различные мероприятия для устранения резонанса лопаток и снижения уровня их вибраций в любом проявлении. 32 32 Рис. 14. Формы колебаний лопатки. 32 а – изгибные формы, б – круглые формы, в – пластиночные формы 32 Если лопатку представить весьма упрощенно, в виде плоской пластины, закрепленной в виде заделки с одной стороны (рис. 14), то можно разделить формы колебаний лопаток на три вида: изгибные, крутильные и пластичные. Внутри каждого вида формы отличаются числом поперечных узловых линий и имеют соответствующую нумерацию: первая форма без поперечных узлов линий, вторая – с одной, третья – с двумя линиями и т. д. Каждая форма имеет свою определенную частоту собственных колебаний, зависящую от размеров лопатки. 32 Лопатки компрессоров и турбин из-за сложности их конструктивной формы не имеют строгого разделения форм колебаний. Колебания лопаток происходят по смешанным формам с преобладанием того или иного вида. Например, изгибные колебания на низких частотах сопровождаются не ярко выраженными крутильными деформациями, но по мере возрастания частоты на лопатке появляются продольные узловые линии, четко выражающие изгибно-крутильные формы. Затем на высоких частотах возникают пластиночные формы колебаний со все усложняющейся конфигурацией узловых линий. 33 2.Расчет рабочей лопатки на прочность 34 2.1.Расчет напряжений от действия центробежной силы 34 ВВЕДЕНИЕ 3 1.КОНСТРУКЦИЯ И ПРОЧНОСТЬ ЛОПАТОК ГТД . 5 1.1.Конструкция и расчеты схемы лопаток 5 1.2.Нагрузки от действия центробежной силы 11 1.3.Нагрузки от действия газодинамической силы 18 1.4.Колебания лопаток 25 2.РАСЧЕТ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ НА ПРОЧНОСТЬ 28 2.1 Расчет напряжений от действия центробежной силы……………….…….28 2.2. Расчёт напряжений от действия газодинамической силы………………..37 2.3. Расчет запаса прочности рабочей лопатки……………….………………..43 Список литературы……………….……………………………………………...48 Заключение 50 |