Проект осевого компрессора ГТД

Размещено на http://www.allbest.ru/

17

ГОУ СПО

Пермский авиационный техникум им. А.Д. Швецова

Курсовая работа (проект)

по предмету «Конструкция авиационных двигателей»

Проект осевого компрессора ГТД

Студент:

Борисов Е.А.

Руководитель проекта:

Почернев В.М.

Пермь 2008

Исходные данные

1. Площадь проточной части на входе в компрессор - 0,73 м²

2. Площадь проточной части на выходе из компрессора - 0,37 м²

3. Частота вращения ротора - 8400 об/мин

4. Число ступеней - 4

5. Давление воздуха на входе в РК 1 ступени на расчетной высоте - 2,9*104 Н/м²

Содержание

Введение

1. Обоснование технических решений

1.1 Анализ исходных данных и выбор прототипа двигателя и формы проточной части компрессора

1.2 Расчет основных размеров компрессора

1.3 Конструкция с обоснованием

2. Расчеты на прочность

2.1 Расчет профильной части лопатки

2.2 Расчет хвостовика лопатки

2.3 Расчет выступа диска

2.4 Расчет диска на прочность

3. Технологическая схема сборки компрессора

Заключение

Литература

Введение

Современное состояние и перспективы развития осевых компрессоров

Совершенствование летательных аппаратов требует совершенствования двигателя и его составных частей - компрессора.

Для этого необходимо:

- Снижение удельной массы;

- Уменьшение удельного расхода топлива за счет улучшения основных параметров и совершенствования конструкции;

- Повышение надежности и сокращение расходов и времени на техническое обслуживание;

- Снижение воздействия на окружающую среду.

Для сокращения числа ступеней турбины и повышения КПД необходимо увеличивать частоту вращения ротора. Однако в ТРДД с большой степенью двухконтурности, обеспечение оптимальной окружной скорости лопаток вентилятора с точки зрения прочности и аэродинамики требует уменьшения частоты вращения. Поэтому в ТРДД подобного типа для уменьшения частоты вращения ротора вентилятора его привод от турбины целесообразно осуществлять через редуктор.

Возможно также выполнение вентилятора и выходного направляющего аппарата, вращающихся в противоположные стороны. При этом степень повышения давления, равную 1,7, можно получить в дозвуковой ступени вентилятора, а не в сверхзвуковой, как в современных компрессорах. Это позволяет уменьшить массу вентилятора и повысить сопротивление разрушению рабочих лопаток при попадании посторонних предметов.

У высоконапорного компрессора с лопатки последних ступеней становятся очень малой длины, что приводит к резкому возрастанию концевых потерь. Для устранения этого недостатка целесообразно использовать центробежный компрессор, который может заменить ступеней осевого компрессора.

Конструктивные схемы перспективных двигателей имеют компрессор, состоящий либо из вентилятора, КСД и КВД, либо из вентилятора и КВД.

Для сохранения в эксплуатации параметров компрессоров ТРДД как для гражданских, так и для маневренных самолетов следует:

- Использовать жесткие роторы;

- Использовать для ротора и статора материалы, обеспечивающие минимальное значение радиальных и осевых зазоров без дополнительных мероприятий по охлаждению или нагреву корпуса;

- Применять лопатки компрессора малого удлинения и большой относительной толщины;

- Создавать конструкции вентилятора и разделительного корпуса, которые позволяют направлять большую часть посторонних частиц в наружный контур;

- Обеспечивать надежность уплотнений.

1. Обоснование технических решений

1.1 Анализ исходных данных и выбор прототипа двигателя и формы проточной части компрессора

Прототипом проектируемого компрессора является компрессор низкого давления двигателя Д-30, в соответствии с исходными данными: количество ступеней - 4, что исключает возможность применения компрессора в качестве компрессора высокого давления в двухконтурном ТРД, одноконтурном ТРД, а также в ТВД; давление воздуха на входе в РК 1 ступени - 2,9*104 Н/м², что соответствует высоте полета 10 000 м, на таких высотах летают только самолеты, что также исключает применение компрессора на вертолетных ТВД. Поэтому проектируемый компрессор будет разрабатываться для каскада низкого давления ДТРД.

Форму проточной части компрессора рациональней сделать с постоянным средним диаметром, т.к. он сочетает в себе достоинства компрессоров с постоянным наружным и средними диаметрами (последние ступени находятся на диаметре, позволяющем сохранить напорность последних ступеней компрессора, и также имеют необходимые размеры для этого). Применение компрессора с постоянным средним диаметром упрощает конструктивную компоновку компрессора в ТРДД.

1.2 Расчет основных размеров компрессора

Определение диаметральных размеров на входе в первую ступень (относительный диаметр втулки) в соответствии с рекомендацией для каскада низкого давления ДТРД;

- наружный диаметр рабочего колеса первой ступени;

- диаметр втулки.

Определение диаметральных размеров на выходе из последней ступени

Определение ширины лопаток на внутреннем диаметре

Согласно рекомендациям методички:

, ,

Тогда:

Определение осевых и радиальных зазоров

Осевые зазоры между рабочими испрямляющими лопатками делаем 15% в соответствии с рекомендациями учебника для уменьшения веса компрессора.

Радиальные зазоры принимаем:

Где - наименьшая и наибольшая удельные величины зазоров, в соответствии с рекомендациями учебника - для первой ступени, - для средних ступеней, - для последней ступени;

- наружный диаметр колеса.

1.3 Конструкция с обоснованием

Ротор компрессора

Тип ротора выбирается в зависимости от окружной скорости на внутреннем диаметре проточной части и центробежной силы от массы рабочих лопаток.

- окружная скорость, - частота вращения ротора.

Я выбрал барабанно-дисковый тип ротора компрессора, потому что такой тип ротора позволяет применять его на расчетной окружной скорости, он имеет высокую изгибную жесткость при больших диаметрах и относительно простую конструкцию. Способ соединения дисков - торцевыми шлицами, с дополнительным центрированием центрирующей трубой, и стяжной трубой для стягивания дисков между собой. Такая конструкция отличается надежным центрированием на относительно больших диаметрах. А разборность конструкции позволяет легко заменять диски. Центрирование дисков осуществляется торцовыми шлицами и центрирующей трубой, передача крутящего момента осуществляется торцовыми шлицами, а передача осевых усилий происходит через стяжной болт.

Для повышения износостойкости и прочности лопаток первая рабочая лопатка выполнена титановой и имеет крепление типа ласточкин хвост, а также бандажные полки, повышающие вибропрочность лопаток. От осевого перемещения лопатки первого рабочего колеса фиксируются штифтом. Рабочие лопатки крепятся с помощью шарниров.

Шарнирное соединение лопаток с дисками позволяет лопаткам самоустанавливаться при действии на них центробежных сил. Также устраняются резонансные колебания лопаток. Износ и заедание в шарнире предотвращается твердой смазкой.

Материалы деталей компрессора:

- Диски рабочих колес - титановый сплав ВТ3, т.к. диски работают на температурах ниже 250⁰С, также титан обеспечивает высокую прочность дискам;

- Рабочие лопатки - 1 ступень - титановые для защиты от повреждения посторонними предметами, залетающими в двигатель, остальные ступени - алюминиевые АК4-1, т.к. температура лопаток не превосходит 250⁰С, и этот металл имеет не большой вес;

- Центрирующая труба - Сталь 12Х2Н4А, она обеспечивает надежное центрирование благодаря высокой твердости и прочности;

- Стяжной болт - Сталь 40Х2МА, т.к. сталь хорошо сопротивляется с удлинением.

Опоры ротора

Передняя опора состоит из литой обоймы, в которую устанавливается упруго-демпферная опора типа «беличье колесо», подшипника, гайки, фиксирующей внутреннее кольцо подшипника, регулировочного кольца, лабиринтных уплотнений и форсунки.

Передний подшипник - роликовый для обеспечения осевого перемещения передней опоры при тепловом расширении деталей компрессора, борт под ролик выполнен на наружном кольце, центровка сепаратора осуществляется по внешнему кольцу подшипника для обеспечения удобства смазки подшипника.

Задняя опора располагается в промежуточном корпусе и содержит масляный демпфер, подшипник, форсунку с буртиком, регулировочное кольцо с гайкой для фиксации внутренней обоймы подшипника и лабиринтные уплотнения.

Задний подшипник - шариковый для удержания компрессора от осевого перемещения в результате действия газодинамических нагрузок при работе. Я применил трехточечный роликовый подшипник с разъемным внутренним кольцом для удобства сборки, он также выдерживает большие осевые и радиальные нагрузки, что необходимо для ротора большой массы.

Корпус компрессора

Корпус компрессора состоит из трех частей - переднего корпуса опоры, корпуса направляющих аппаратов и промежуточного корпуса опоры.

Передний корпус опоры - сварной, выполнен совместно с входным направляющим аппаратом и состоит из наружного силового кольца, опоры и решетки ВНА. Применение ВНА в качестве силовых стоек позволяет уменьшить осевые размеры компрессора и его вес. Передача усилия от подшипника на корпус компрессора происходит через решетку ВНА.

Средний корпус выполнен разборным по вертикали, на нем располагаются направляющие аппараты. Он состоит из четырех секций в соответствии с количеством ступеней компрессора. Крепление решетки направляющего аппарата к внутреннему кольцу осуществляется с помощью резьбового соединения. Конец лопатки направляющего аппарата, обращенный к внутреннему кольцу, выполнен в виде стержня с резьбой, который вставляется в отверстие в кольце и закрепляется гайкой. С обратной стороны лопатки имеется полка с отверстием, в котором прорезана резьба. Собранные с кольцом лопатки вставляются в корпус и с помощью болтов закрепляются в нем.

В промежуточном корпусе опоры располагаются задняя опора компрессора низкого давления и передняя опора компрессора высокого давления, также на нем располагаются агрегаты двигателя. В связи с этим промежуточный корпус испытывает большие нагрузки, поэтому он выполняется литым.

Благодаря вертикальному разъему корпуса компрессора достигается удобная центровка деталей статора, она также обеспечивается буртиками в местах стыка элементов корпуса.

Герметичность разъемов корпусов достигается применением специальных герметиков, а также близким расположением болтов, соединяющих корпуса.

Материалы корпусов:

- Входное устройство - титановый сплав ВТ3, т.к. температура на входе не превосходит 250⁰С, также титан отличается высокой прочностью при небольшом весе;

- Корпус компрессора промежуточный - литой из алюминиевого сплава АЛ4, т.к. он очень легкий;

- Корпуса НА - листовой алюминиевый сплав АЛ4, т.к. он имеет небольшой вес.

ВНА и НА

ВНА выполняется совместно с передним корпусом опоры.

На данном компрессоре применена конструкция направляющего аппарата неконсольного типа. Один конец лопатки соединяется при помощи болтов к корпусу, а второй соединяется с нижним полукольцом гайкой. При этом увеличивается вибропрочность лопаток направляющего аппарата, их жесткость, также уменьшается перетекание воздуха благодаря лабиринтным уплотнениям, возможность применения которых возможна только в неконсольной конструкции направляющего аппарата. Лабиринты выполняются на роторе компрессора, а крышкой служит внутреннее кольцо корпуса с направляющим аппаратом.

Материалы:

- ВНА - титановый сплав ВТ3, т.к. рабочая температура ВНА не превышает 250⁰С;

- Направляющий аппарат - листовой дуралюмин Д1, т.к. они меньше нагружены, чем рабочие их температура не превосходит 250⁰С и этот металл имеет не большой вес.

Система смазки подшипников

Масляная система закрытая циркуляционная короткозамкнутая для обеспечения большой высотности масляной системы. Она состоит из подсистем: нагнетания, откачивания и суфлирования.

Масло из бака поступает к нагнетающему насосу, далее проходит через фильтр тонкой очистки и по трубопроводам в отверстия, предусмотренные для смазки и откачки в силовых стойках. Далее масло поступает к масляным форсункам, направленным на сепараторы подшипников. Использованное масло самотеком стекает в маслоотстойник опоры, откуда откачивающим насосом пройдя воздухоотделитель, удаляющий воздух из вспененного масла, и радиатор, охлаждающий воздух, качается в маслобак.

Противопомпажная и противообледенительная системы

Данный компрессор не имеет в себе элементов, предотвращающих неустойчивую работу, т.к. он имеет достаточно большие диаметральные размеры и площади проходных сечений, что уменьшает вероятность появления помпажа. Компрессор будет устанавливается в двигателе, имеющем двухроторную схему, что также увеличивает диапазон устойчивой работы. Все необходимые элементы, уменьшающие риск помпажа располагаются, в основном, на компрессоре высокого давления, т.к. он имеет больше ступеней. В нашем же случае ступени всего четыре.

В данном компрессоре необходима противообледенительная система для защиты лопаток входного направляющего аппарата от обледенения. Для этого через эти лопатки проходят каналы, в которые подается воздух из-за последних ступеней компрессора высокого давления. Над корпусом ВНА имеется воздушный коллектор, который сообщается с полостями лопаток ВНА, которые выполнены полыми. Таким образом идет обогрев лопаток и предотвращение их обледенения.

2. Расчеты на прочность

2.1 Расчет профильной части лопатки

Цель расчета: Определить напряжения растяжения в корневом сечении рабочей лопатки первой ступени.

1. Разобьем перо лопатки на 5 равных частей по высоте

2. Находим высоту участков:

3. Находим средний радиус секций:

4. Находим площадь сечений пера лопатки по графику:

5. Находим площадь сечения участка на среднем диаметре:

6. Находим центробежную силу участка:

7. Находим суммарную равнодействующую всех сил;

8. Находим напряжения растяжения участка:

9. Результаты сводим в таблицу:

№	R	DR	Rср	F	Fср	DPц	SDPц	sр
0	0,519			0,000481	0	0	0	0
1	0,4582	0,0608	0,488600	0,000589	0,000535	55 335,295	55 335,295	93 939 727,210
2	0,3974	0,0608	0,427800	0,000697	0,000643	58 248,308	113 583,603	162 903 642,209
3	0,3366	0,0608	0,367000	0,000842	0,000769	59 777,093	173 360,697	206 013 532,665
4	0,2758	0,0608	0,306200	0,000998	0,000920	59 614,976	232 975,673	233 493 948,098
5	0,215	0,0608	0,245400	0,001202	0,001100	57 145,812	290 121,485	241 336 515,350

Напряжения растяжения лопатки не превышают допустимых.

2.2 Расчет хвостовика лопатки

осевой компрессор двигатель лопатка

Цель расчета: Определить напряжения смятия, возникающие в хвостовике рабочей лопатки первой ступени.

1. Находим центробежную силу, действующую на хвостовик:

Площадь трапеции хвостовика:

Объем хвостовика:

Масса хвостовика:

Окружная скорость:

Центробежная сила, действующая на хвостовик лопатки:

2. Центробежная сила, действующая на всю лопатку:

3. Находим площадь смятия:

4. Находим силу, действующую нормально к боковой грани:

5. Находим напряжения смятия в хвостовике:

Напряжения смятия не превышают допустимых.

2.3 Расчет выступа диска

1. Находим центробежную силу, действующую на выступ диска



2. Находим суммарную равнодействующую всех сил, действующих на выступ диска

3. Находим площадь самого узкого сечения выступа диска

4. Находим напряжения в самом узком сечении выступа диска

Напряжения растяжения не превышают допустимых.

2.4 Расчет диска на прочность

Цель расчета: Определить напряжения, возникающие в диске первой ступени компрессора.



1. Заменяем действительный профиль диска теоретическим.

2. Вычисляем отношения:

;

;

; ;

3. Определяем по таблице 3.1 [1] коэффициенты напряжений:

; ; ; ; ; ; ; ; .

4. Определяем:

Напряжения от контурной нагрузки:

Тангенциальные напряжения на :

;

Радиальное напряжение в сечении на

Тангенциальное напряжение в сечении на :

Тангенциальные напряжения в диске не превышают допустимых.

3. Технологическая схема сборки компрессора

Заключение

Курсовой проект по конструкции авиационных двигателей является конструкторской работой, в результате которой студент приобретает навыки и знания правил, норм и методов конструирования. Выполнение проекта базируется на знаниях физико-математических и общетехнических дисциплин: математики, конструкции авиационных двигателей, машиностроительного черчения и др.

Основные требования, предъявляемые к создаваемому компрессору: высокая степень сжатия, надёжность, технологичность, ремонтопригодность, минимальные габариты и масса, удобство эксплуатации. Все эти требования учитывают в процессе проектирования и конструирования.

В процессе работы над проектом, было выполнено следующее: дан анализ значения и условий, в которых находится каждая проектируемая деталь и наиболее рациональное конструктивное решение с учётом технологических, монтажных и эксплуатационных требований.

В процессе выполнения курсового проекта были систематизированы, закреплены и расширены теоретические знания, а также развиты расчётно-графические навыки и принятие самостоятельных технических решений.

Литература

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

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. - 368 с.

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

Размещено на Allbest.ru