КВД д-30. Курсовой проект пояснительная записка мдк. 01. 01 Основы конструкторской деятельности

• Название: Курсовой проект пояснительная записка мдк. 01. 01 Основы конструкторской деятельности
• Анкор: КВД д-30
• Дата: 27.10.2021
• Размер: 1.57 Mb.
• Имя файла: Popovcev.docx
• Тип: Курсовой проект; #256995

Краевое государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

«Пермский авиационный техникум им. А.Д. Швецова»


КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Пояснительная записка

МДК.01.01 Основы конструкторской деятельности

Проектирование компрессора высокого давления двигателя Д-30

КР.24.02.02.191з.9

Преподаватель __________________________________________ Пьянкова А.Г.

(подпись, дата)

Студент, гр. АД-19-1з _____________________________________Поповцев А.С.

(подпись, дата)


Пермь 2021 г

Содержани


Введение 5

1 Конструкция и назначение узла, сборочных единиц и деталей 6

1.1 Статор КВД 6

1.2 Ротор КВД 7

2 Материалы деталей основных узлов 9

3 Определение нагрузок, действующих на детали и сборочные единицы 10

4 Выбор основных параметров при проектировании 12

4.1 Определение диаметральных размеров компрессора 12

4.2 Определение ширины лопаток на внутреннем диаметре 13

4.3 Определение осевых и радиальных зазоров 14

5 Проектирование основных сборочных единиц и деталей КНД 15

6 Разработка мероприятий по повышению надёжности 16

Заключение 17

Список использованных источников 18

Введение

Компрессор турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) служит для повышения давления воздуха перед поступлением его в наружный контур и камеру сгорания внутреннего контура и является одним из основных конструктивных узлов двигателя. Степень газодинамического и конструктивного совершенства компрессора в значительной мере определяет тягу, экономичность, габаритные размеры, массу, надежность и долговечность двигателя.

К компрессорам авиационных газотурбинных двигателей предъявляются следующие основные требования:

- обеспечение заданного секундного расхода воздуха;

- обеспечение заданной степени повышения давления;

- обеспечение заданного КПД (экономичность);

- обеспечение устойчивой работы в заданном диапазоне частот;

- надежность;

- живучесть;

- обеспечение заданного ресурса;

- контролепригодность;

- пожаробезопасность;

- минимальная масса и габариты;

- технологичность производства;

- эксплуатационная технологичность;

- минимальная себестоимость производства;

- возможность развития;

- экологические ограничения (по шуму).

Целью данного контрольной работы является проектирование компрессора высокого давления двигателя Д-30 на основе заданных исходных данных. В задачи входят описание конструкции компрессора низкого давления двигателя – прототипа, определение размеров проточной части, определение нагрузок на детали компрессора.

1 Конструкция и назначение узла, сборочных единиц и деталей

Компрессор высокого давления приводится во вращение турбиной высокого давления. Значительная разница в высоте лопаток первой и последней ступе­ней в основном и определила своеобразный профиль его проточной части.

Тепловое состояние деталей КВД определяется в основном температурой воздуха, которая на взлетном режиме изменяется от 100°С на входе в КВД до 570°С на выходе приблизительно линейно по длине проточной части, т.е. изменение температуры от сту­пени к ступени составляет около 35°.

Конструктивно КВД состоит из следующих основных узлов (рис.2.5) Для расширения диапазона устойчивой работы двигателя КВД снабжен специальны­ми устройствами ("механизацией компрессора"). К ним относятся поворотные лопатки входного направляющего аппарата и направляющих аппаратов 1-й и 2-й ступеней, а также клапаны перепуска воздуха.

КНД состоит из двух основных частей: статора и ротора.

1.1 Статор КВД

Статор КВД состоит из корпуса компрессора, направляющих аппаратов и рабочих колец. Корпус компрессора состоит из четырех корпусов представляющих собой цельные кольцевые обечайки с фланцами с обеих сторон, переднего проставочного кольца и заднего проставочного кольца. Корпуса соединяются между собой фланцами и стягиваются с помощью шпилек. Центрирование переднего и заднего проставочных колец и корпусов между собой осуществляется штифтами, а заднего проставочного кольца с корпусом - по посадочному пояску. На заднем фланце корпуса КВД выполнен ряд отверстий под винты крепления к корпусу камеры сгорания. Во фланцах корпусов, переднем проставочном кольце и заднем проставочном кольце имеются радиальные отверстия, которые служат гнездами для установки верхних цапф поворотных лопаток рабочего входного направляющего аппарата, регулируемого направляющего аппарата первой, второй и третьей ступеней.

Лопатки НА первой, второй и третьей ступеней, кроме того, имеют нижние цапфы, которые входят в цилиндрические глухие отверстия разъемных внутренних колец. Кольца, имеющие на внутренних поверхностях легкоприрабатываемое покрытие, совместно с лабиринтными гребешками на оболочках дисков первой, второй и третьей ступеней ротора КВД образуют межступенчатые воздушные уплотнения.

Проточная часть наружного контура двигателя на участке над КВД образована обечайкой наружного корпуса и шестью внутренними кожухами. Каждый из внутренних кожухов представляет собой панель из листового материала цилиндрической формы и служит для уменьшения потерь при прохождении воздуха по проточной части наружного контура.

1.2 Ротор КВД

Ротор КВД барабанно-дискового типа. Он состоит из рабочих лопаток 1…10 ступеней, дисков, передней и задней опор и центрирующего болта.

Диск с закрепленными на нем лопатками, называется рабочим колесом (РК). Каждый ряд неподвижных лопаток образует направляющий аппарат (НА). Рабочее колесо и установленный за ним НА образуют ступень компрессора.

При вращении РК лопатки совершают работу над воздухом. Сила воздействия рабочей лопатки на воздух направлена по нормали к каждой точке внутренней поверхности лопатки. Эта сила может быть разложена на окружную и осевую составляющие. Окружная составляющая вызывает увеличение окружной скорости воздуха, т.е увеличение его кинетической энергии, а осевая составляющая перемещает воздух параллельно оси ротора. В результате на выходе из РК увеличивается и повышается давление.

Диски рабочих колёс и задний вал соединяются и центрируются между собой торцовыми шлицами и стягиваются стяжным болтом через сферическую опору.

Ротор установлен на двух опорах: передней – роликоподшипнике, воспринимающем радиальные усилия, и задней – шарикоподшипнике, воспринимающем радиальные и осевые усилия.

2 Материалы деталей основных узлов

Критерии выбора материала:

- механические характеристики при рабочей температуре;

- стойкость к коррозии и эрозии;

- минимальный вес детали;

- технологичность;

- стоимость.

Материалы деталей основных узлов КВД приведены в таблице.

Наименование детали	Марка материала, обозначение	Условия работы
Статор КВД
Наружный корпус, лопатки ВНА, крышки и корпус роликоподшипника	ОТ4	Силы давления, газодинамические силы
Наружная рессора роликоподшипника	ст. 13Х14НВФРА	Радиальные усилия
Внутренняя рессора роликоподшипника	ст. 12Х2Н4А
Корпуса и внутренние кольца НА 1…10 ступеней	АК4-1	Силы давления
Лопатки НА 1…10 ступеней	ВД17	Силы давления, газодинамические силы
Ротор КВД
Рабочие лопатки 2 ступени	ВД17	Центробежные силы, силы давления, газодинамические силы
Рабочие лопатки 1 и 3 ступеней	ВТЗ-1
Диски	ВТЗ-1	Центробежные силы, силы давления, газодинамические силы, передаваемые с лопаток
Вал ротора КНД	ст. 13Х11Н2В2МФ	Центробежные силы, крутящий момент

3 Определение нагрузок, действующих на детали и сборочные единицы

Нагрузки, действующие на детали и сборочные элементы КВД двигателя, вызваны газодинамическими силами при движении рабочего тела (воздуха) через проточную часть, центробежными силами вращения и силами давления.

Осевое усилие со стороны ротора воспринимается только шариковым подшипником, а радиальные усилия воспринимаются и передним и задним подшипником. Усилия с переднего шарикового подшипника передаются на его корпус, затем на ВНА и непосредственно на корпус двигателя. Радиальное усилие с заднего роликового подшипника передается на его корпус, с него на ВНА в проточной части и на корпус двигателя.

В рабочих лопатках и НА КВД действуют напряжения изгиба под воздействием осевых составляющих Рa и напряжения кручения под воздействием окружных составляющих Рu газодинамических сил. В рабочих лопатках также действуют нормальные напряжения под воздействием центробежных сил.

На диск действуют центробежные силы Р_Цд, силы давления воздуха Р_в, с рабочей лопатки передаётся осевое усилие от газодинамических сил Р_ол и центробежные силы Р_Цл. Также через торцевые шлицы диска передаются крутящие моменты с предыдущей и на следующую ступень КВД М_б на рабочую лопатку М_л.

4 Выбор основных параметров при проектировании

Исходные данные:

- площадь входного сечения в компрессор Fвх = 0,140 м²;

- площадь выходного сечения из компрессора Fвых = 0,053м²;

- частота вращения ротора 12000 об/мин;

- число ступеней компрессора 10;

- давление воздуха на входе в рабочее колесо первой ступени P1 = 2.9*10⁴ Н/м², на выходе P2 = 3.7*10⁴ Н/м².

4.1 Определение диаметральных размеров компрессора

Определяются диаметральные размеры на входе в первую ступень.

Наружный диаметр:

, (1)

где – относительный диаметр втулки в соответствии с рекомендацией для первой ступени КНД.

Диаметр втулки:

. (2)

Средний диаметр:

. (3)

В связи с особенностями расположения КНД в двигателе принимается проточная часть с постоянным средним диаметром.

Определяются диаметральные размеры на выходе из последней ступени.

Наружный диаметр:

. (4)

Диаметр втулки:

. (5)

4.2 Определение ширины лопаток на внутреннем диаметре

Высота рабочей лопатки на входе в КВД:

. (6)

Высота рабочей лопатки на выходе из КВД:

. (7)

Принимаются удлинения рабочих лопаток первой и третьей ступеней 2.5 и 1 соответственно (третья ступень имеет механизм поворота лопаток).

Ширина рабочей лопатки на входе в КВД:

(8)

Ширина рабочей лопатки на выходе из КВД:

. (9)

Ширина лопатки направляющего аппарата принимается на 15 % меньше ширины рабочей лопатки соответствующей ступени.

Ширина ВНА на входе в КВД:

(10)

Ширина спрямляющего аппарата на выходе из КВД:

(11)

Ширина рабочих лопаток промежуточных ступеней определяется из графика (рисунок 6).


Рисунок 6 – Зависимость ширины рабочей лопатки от номера ступени

Результаты расчёта ширин рабочих лопаток и направляющих аппаратов сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты расчёта ширины направляющих и рабочих лопаток

Ступень	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
LРЛ, мм	0,07136	0,07138	0,0714	0,07142	0,07143	0,07145	0,07147	0,07149	0,07152	0.07155
LНА, мм	0,1784	0,153	0,128	0,103	0,095	0,09	0,085	0,08	0,075	0,07155

4.3 Определение осевых и радиальных зазоров

Радиальные зазоры рассчитываются по формуле:

. (12)

где – наименьшая и наибольшая удельные величины зазоров.

Для первой ступени , для последней ступени .

Радиальный зазор 1-ой ступени:



Радиальный зазор 9-й ступени:



Радиальные зазоры в промежуточных ступенях определяются по графику
Зависимость величины радиального зазора от номера ступени

Осевые зазоры между рабочими и направляющими лопатками принимаются в величине, равной 15 % от ширины рабочей лопатки соответствующей ступени.

Результаты расчёта осевых и радиальных зазоров сведены в таблицу 3.

Таблица 3 – Результаты расчёта осевых и радиальных зазоров

Ступень	ВНА	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Δ, мм	0	1,17	0,95	0,9	0,87	0,83	0,79	0,74	0,7	0,65	0,615
SОС, мм	11,6	10,6	10	9,6	9	8,2	7,3	6,6	5,2	4,6	3,8

5 Проектирование основных сборочных единиц и деталей КВД

На основании пунктов 1,3,4 спроектирована проточная часть КВД. Чертеж в формате А1 Приложения 1.

6 Разработка мероприятий по повышению надёжности

Повышение уровня технического совершенства компрессоров авиадвигателей, т.е. их качества, надежности и экономичности, осуществляется несколькими путями.

Первый из них — разработка комплексных мероприятий по повышению качества изготовления. Сюда относятся и вопросы использования новых материалов, совершенствования конструкций и технологических процессов производства, а также широкой унификации агрегатов.

Второй путь — проведение исследований по повышению надежности и установлению оптимальных режимов эксплуатации компрессоров, разработка стандартных методов и типовых программ испытаний (моторесурсные и специальные ускоренные испытания на надежность, всесторонние эксплуатационные испытания с проверкой надежности новых деталей и узлов, исследования эксплуатационной надежности импортного оборудования). Значительное внимание уделяется исследованиям наиболее тяжелых для компрессора пусковых режимов и внедрению средств технической диагностики при эксплуатации и ремонте авиадвигателей.

Надежность и экономичность компрессоров обеспечиваются также непрерывным совершенствованием системы технического обслуживания и ремонта оборудования, разработкой подробной эксплуатационной и ремонтной документации, нормативов численности обслуживающего и ремонтного персонала. Большое значение имеет правильное планирование объема производства запасных частей согласно технически обоснованным расчетным нормам.

Заключение

В процессе выполнения контрольной работы было составлено описание компрессора высокого давления двигателя – прототипа Д-30, определены нагрузки, действующие на детали компрессора. Помимо этого на основании проектных площадей на входе и выходе из компрессора выполнены размерные расчёты, а именно диаметров компрессора, а также осевых и радиальных зазоров между его ступенями. На основании данных расчётов спроектирована проточная часть. Задачи контрольной работы выполнены в полном объёме.

Список использованных источников

1. Конструкция и основы проектирования ГТД / Ловинский С.И., Линко Г.И., Анучкин Г.П. – М: Машиностроение, 1977. – 320с.

2. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки»/ С.А, Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов и др.; Под общей редакцией Д. В. Хронина. – М: Машиностроение, 1989. – 368с.: ил.

3. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. Издание 3-е, переработанное и дополненное/ Г.С. Скубачевский – М: Машиностроение, 1969. – 537с.

4. Авиационный двигатель Д-30 III серии. Техническое описание.