Расчет турбины высокого давления двигателя Д-30

СОДЕРЖАНИЕ

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.

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

Продолжение таблицы 3.1

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:

     

                       (3.4),

     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.

     Таблица 3.2

         Таблица  3.3

    Продолжение таблицы 3.3

    Таблица 3.4

4. Расчет  лопатки на прочность в программе UISAPR
4. ***********************************************************************
5. ****             РАСЧЕТ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГТД НА ПРОЧНОСТЬ          ****
6. ***********************************************************************
7.                   ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА                        
8.      материал лопатки XH70
9.      частота вращения  W =  844.6 1/c
10.      единичная газовая сила по оси X  Px =  7182.50 Н/м
11.      единичная газовая сила по оси Y  Py = -7325.05 Н/м
12.      плотность материала лопатки Ro = 7900.0 кг/м3
13.      объем бандажной полки Yb =    0.0 мм
14.      радиус центра масс бандажной полки Rb =   0.0
15. !---------------------------------------------------------------------!
16. ! температуры,пределы длительной прочности и коэффициенты компенсации !
17. !---------------------------------------------------------------------!
18. ! номер сечения !   0    !   1    !   2    !   3    !   4    !   5    !
19. !---------------------------------------------------------------------!
20. !    T (К)      ! 1151.7   1150.2   1148.7   1147.2   1145.7   1144.1 !
21. !  SIT (МПа)    !  263.9    266.0    268.0    270.1    272.1    274.2 !
22. !  UKX ( - )    !  0.000    0.000    0.000    0.000    0.000    0.000 !
23. !  UKY ( - )    !  0.000    0.000    0.000    0.000    0.000    0.000 !
24. !---------------------------------------------------------------------!
25. !          геометрические характеристики сечений лопатки              !
26. !---------------------------------------------------------------------!
27. ! номер сечения !   0    !   1    !   2    !   3    !   4    !   5    !
28. !---------------------------------------------------------------------!
29. !    R (мм)     !  392.1    382.3    372.4    362.6    352.7    342.9 !
30. !    F (мм2)    !  155.4    177.1    186.3    206.5    181.4    131.8 !
31. !  BET (град)   !   45.2     42.2     39.2     36.3     33.3     30.4 !
32. !  AJ1 (мм4)    ! 3708.5   5080.0   6451.5   7823.0   9194.4   10565.9!
33. !  AJ2 (мм4)   ! 37310.9  45966.0  54621.0  63276.1  71931.1  80586.1!
34. !  AKA (мм)     !  -20.5    -20.0    -19.5    -19.1    -18.6    -18.1 !
35. !  AKB (мм)     !   29.8     29.5     29.2     28.9     28.6     28.3 !
36. !  AKD (мм)     !   -7.6     -8.2     -8.8     -9.5    -10.1    -10.7 !
37. !   QA (мм)     !   10.5     10.9     11.4     11.8     12.3     12.8 !
38. !   QB (мм)     !   10.5     10.9     11.4     11.8     12.3     12.8 !
39. !   QD (мм)     !   -8.0     -7.3     -6.6     -5.9     -5.2     -4.5 !
40. !=====================================================================!
41. !                      результаты расчета                             !
42. !=====================================================================!
43. ! номер сечения !   0    !   1    !   2    !   3    !   4    !   5    !
44. !---------------------------------------------------------------------!
45. !    X (мм)     !    0.0      0.0      0.0      0.0      0.0      0.0 !
46. !    Y (мм)     !    0.0      0.0      0.0      0.0      0.0      0.0 !
47. ! AMPX (Н*м)    !    0.0     0.35     1.42     3.19     5.67     8.86 !
48. ! AMJX (Н*м)    !    0.0     0.00     0.00     0.00     0.00     0.00 !
49. ! AMPY (Н*м)    !    0.0     0.35     1.39     3.13     5.56     8.69 !
50. ! AMJY (Н*м)    !    0.0     0.00     0.00     0.00     0.00     0.00 !
51. !  AM1 (Н*м)    !    0.0     0.50     1.98     4.42     7.79    12.04 !
52. !  AM2 (Н*м)    !    0.0     0.02     0.18     0.63     1.53     3.02 !
53. !  SRS (МПа)    !    0.0    20.15    39.56    55.05    83.86   138.40 !
54. ! SIGA (МПа)    !    0.0     1.07     3.55     6.89    10.83    15.23 !
55. ! SIGB (МПа)    !    0.0     1.05     3.39     6.41     9.82    13.49 !
56. ! SIGD (МПа)    !    0.0    -0.71    -2.00    -3.25    -4.20    -4.74 !
57. !  SSA (МПа)    !    0.0    21.23    43.11    61.94    94.69   153.62 !
58. !  SSB (МПа)    !    0.0    21.21    42.95    61.46    93.69   151.88 !
59. !  SSD (МПа)    !    0.0    19.44    37.56    51.80    79.66   133.66 !
60. ! SMAX (МПа)    !    0.0    21.23    43.11    61.94    94.69   153.62 !
61. !   AN          ! 100000000000000000000.0    12.53     6.22     4.36     2.87     1.78 !
62. !---------------------------------------------------------------------!
63.   *****    минимальный коэффициент запаса прочности ANMIN =  1.78

     По  полученным результатам построены графики, рисунки 3.5, 3.6, 3.7, 3.8. 

     Рисунок 3.5 – Напряжения растяжения от центробежных сил и максимальные напряжения 
 
 
 
 

Рисунок 3.6 – Напряжения изгиба в точкахA, B, D

Рисунок 3.7 – Результирующие напряжения в точках A, B, D 

Рисунок 3.8 – Коэффициент запаса прочности лопатки

     Вывод: минимальный запас прочности  K=1,78  в корневом сечении лопатки, что входит в заданный диапазон , следовательно, лопатка из материала ХН70Ю  обеспечивает нужную работу под воздействием заданных на нее нагрузок.

3.2. Расчет рабочей лопатки на колебания

     Частота собственных колебаний лопатки определялась в программе      UISAPR.

3.2.1. Расчет собственной  частоты колебаний  лопатки в программе UISAPR

***********************************************************************

*           ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ЛОПАТКИ НА КОЛЕБАНИЯ          *

***********************************************************************

* Высота пера  лопатки [ м ]                              *     0.04919*

* Модуль упругости  материала пера лопатки [ Па*E-12 ]    *     0.20500*

* Плотность материала  лопатки [ кг/м3 ]                  *  7900.00000*

* Момент инерции  сечения 1 лопатки [ м4*Е9 ]             *    10.56592*

* Момент инерции  сечения 2 лопатки [ м4*Е9 ]             *     9.19444*

* Момент инерции  сечения 3 лопатки [ м4*Е9 ]             *     7.82296*

* Момент инерции  сечения 4 лопатки [ м4*Е9 ]             *     6.45147*

* Момент инерции  сечения 5 лопатки [ м4*Е9 ]             *     5.07999*

* Площадь сечения  1 лопатки [ м2*Е3 ]                    *     0.17706*

* Площадь сечения  2 лопатки [ м2*Е3 ]                    *     0.18625*

* Площадь сечения  3 лопатки [ м2*Е3 ]                    *     0.20652*

* Площадь сечения  4 лопатки [ м2*Е3 ]                    *     0.18143*

* Площадь сечения  5 лопатки [ м2*Е3 ]                    *     0.13176*

***********************************************************************

         Низшая собственная частота колебаний  лопатки = 9467.1 Гц

*********************************************************************** 

     3.2.2.Определение динамических частот колебаний лопатки, соответствующих режимам работы двигателя максимал - малый газ

    Динамическую  частоту колебания лопатки - , определяем по формуле:

                                                      (3.5),

    где - коэффициент пропорциональности (динамического ужесточения),

     - частота вращения для режима двигателя максимал;

     - частота вращения для режима двигателя  малый газ.

    Тогда:

-режим максимал;

- режим малый газ. 

     3.2.3. Определение формы  колебаний, при которых наступит резонанс

     Варьируя  формой колебания, находим частоту  вращения ротора по формуле 3.7:

                               (3.6),

а затем  находим  при условии, что динамические колебания должны попадать в область работы двигателя малый газ – максимал (Рисунок 3.9). В результате получили, что при 71≤k≤234 лопатки входят в резонансный режим.

Рисунок 3.9 – Динамические колебания в  области малый газ – максимал

     Вывод: при форме колебаний 71≤k≤234 лопатки входят в автоколебательный процесс на режимах работы двигателя близких к максималу, но т.к. форма колебаний высокая (k≥9), то эти колебания считаем неопасными.  

     3.3. Расчет диска на  прочность

     Расчет  диска на прочность осуществлялся  в программе UISAPR. При этом примем, что запас прочности - .

     3.3.1 Подготовка данных для расчета в программе UISAPR

     Диск, представленный на рисунке 3.10, был заменен эквивалентной схемой, представленной на рисунке 3.11.

     Рисунок 3.10 – Исходный диск

     Рисунок 3.11 – Эквивалентная схема диска 

     3.3.2 Расчет диска на прочность в программе UISAPR

***********************************************************************

*           ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА  ДИСКОВ НА ПРОЧНОСТЬ           *

***********************************************************************

* Признак диска(0-компрессора,1-турбины)                 *     1.00000*

* Признак расчета(0-без учета температуры,1-с учетом)    *     1.00000*

* Число сечений  диска                                    *    16.00000*

* Угловая скорость  вращения диска [1/c]                  *   844.56690*

* Плотность материала  диска [кг/м3]                      *  8570.00000*

* Напряжение в  корневом сечении лопатки [МПа]            *   138.40000*

* Площадь корневого  сечения лопатки [cм2]                *     1.55442*

* Число лопаток                                          *    75.00000*

* Площадь сечения обода диска [cм2]                      *    10.51587*

* Радиус центра  тяжести обода диска [м]                  *     0.44800*

* Коэффициент Пуассона                                   *     0.30000*

* Радиальн.напряжение  в сечении 1 ( расчет 1) [МПа]      *   250.00000*

* Радиальн.напряжение  в сечении 1 ( расчет 2) [МПа]      *   100.00000*

* Тангенциальн.напряжение  в сечении 1 (расчет 1) [МПа]   *   250.00000*

* Тангенциальн.напряжение  в сечении 1 (расчет 2) [МПа]   *   100.00000*

***********************************************************************

*                     Параметры по сечениям диска                     *

***********************************************************************

* Nсеч *  R[m]  *   R[m]  * E[Па*E-12]*  T[K]  * AL[1/K*E5] * SD[МПа] *

***********************************************************************

*   1  *  0.119 *  0.0730 *       0.2 *  973.2 *  125.7000000 *  960.00 *

*   2  *  0.193 *  0.0670 *       0.2 *  975.2 *  128.1020000 *  882.08 *

*   3  *  0.208 *  0.0720 *       0.2 *  976.7 *  128.5860000 *  866.40 *

*   4  *  0.217 *  0.0410 *       0.2 *  977.8 *  128.8700000 *  857.19 *

*   5  *  0.242 *  0.0270 *       0.2 *  982.4 *  129.6850000 *  830.76 *