Расчет рабочих лопаток компрессора

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Имени академика С.П.КОРОЛЕВА

ОСНОВЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

И КОНСТРУИРОВАНИЯ

Методические указания к курсовому проектированию

С А М А Р А 2 0 0 3

Составители: Е.А.Панин, Д.С. Лежин

УДК 621.452

Основы проектирования и конструирования:Метод. указания к курсовому проектированию/ Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Сост. Е.А. Панин, Д.С. Лежин. Самара, 2003. 32 с.

Методические указания разработаны в соответствии с требованиями к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы регионального (вузовского) компонента подготовки экономиста-менеджера Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования Министерства образования Российской Федерации.

Предметом курсового проектирования по дисциплине «Основы проектирования и конструирования» является сложный технический объект – газотурбинный двигатель (ГТД).

Изложены цели и задачи курсового проектирования согласно требованиям утвержденных рабочих программ дисциплин.

Подчеркнута ответственность сторон – студента и руководителя.

Подробно рассмотрены содержание, объем, структурный состав и последовательность выполнения этапов проекта.

Приведены примеры оформления некоторых разделов, в которых наиболее часто встречаются ошибки.

Даны рекомендации по оформлению пояснительной записки.

Методические указания предназначены для студентов факультета 2 специальности 060 800 – Экономика и управление на предприятии (по отраслям), изучающих дисциплины: «Рабочие процессы ВРД», «Основы проектирования и конструирования», «Авиационный двигатель как объект производства».

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П.Королева.

Рецензент: С. М. Л е ж и н

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ 4

СТРУКТУРНЫЙ СОСТАВ

ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ 6

Титульный лист 6

Задание 7

Реферат 8

Содержание 9

Введение 10

Заключение 11

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 12

Летательный аппарат 12

Двигатель 13

Расчет рабочих лопаток компрессора и турбины

На растяжение от действия центробежными силами 19

Расчет рабочих лопаток компрессора и турбины

На колебания 25

ТРУДОЕМКОСТЬ И ОБЪЕМ ПРОЕКТА 30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 31

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель проектирования

Овладение навыками самостоятельного анализа процессов проектирования и конструирования сложных технических объектов, расширение кругозора, систематизация и закрепление знаний.

Роль руководителя

Выдача задания, уточнение объема и содержания составных частей, контроль и направление работы.

Студент

Несет ответственность за принятые технические решения и расчеты, качество и выполнение в заданные сроки.

Пояснительная записка

Оформляется согласно правилам стандарта предприятия СТП СГАУ 6.1.4. – 97на листах формата А4 рукописным способом или на ПК с операционной системой Windows в редакторе Microsoft Word. Размеры полей должны быть не менее: левого 30 мм, правого 10 мм, верхнего 15 мм, нижнего 20 мм.

Номера страниц проставляются в правом верхнем углу.

Иллюстрации и таблицы должны иметь сквозную нумерацию, однако, допускается нумеровать и в пределах раздела. Пояснительные данные обозначается словами «Рисунок» или «Таблица» без сокращения и пишутся слева под рисунком и над таблицей.

Например:

Рисунок 7 – Резонансная диаграмма первой ступени КВД

Таблица 2 – Зависимость динамической собственной частоты рабочей лопатки турбины от частоты вращения.

Допускается помещать в приложениях расчеты, диаграммы, таблицы, схемы и другие материалы, не вошедшие в основную часть пояснительной записки. Каждое приложение должно иметь заголовок и буквенное обозначение.

Например:

Приложение Б

Баланс осевых газодинамических сил

СТРУКТУРНЫЙ СОСТАВ

ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

(Содержание и оформление)

Структурными элементами пояснительной записки являются:

1 – титульный лист;

2 – задание;

3 – реферат;

4 – содержание;

5 – введение;

6 – основная часть;

7 – заключение;

8 – список использованных источников;

9 – приложения (при наличии).

Титульный лист

Титульный лист выдается библиотекой кафедры КИПДЛА (корп. 14, ауд. 210), служит обложкой пояснительной записки. Допускается его рукописное оформление.

Пример оформления титульного листа:

Министерство образования Российской Федерации Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева Кафедра конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов Турбореактивный двухконтурный двигатель Д-36 Пояснительная записка к курсовому проекту Студент И.И.Иванов Руководитель С.С.Сидоров 2003

Задание

Задание может быть размещено на обратной стороне выдаваемого кафедрой бланка титульного листа – тогда оно только заполняется. Допускается его оформление на отдельной странице.

В задании должны указываться марка, вид и разработчик двигателя, который рассматривается в качестве сложного технического объекта в процессе работы над проектом.

Пример оформления задания:

Кафедра конструкции и проектирования

двигателей летательных аппаратов

Задание на курсовой проект студенту И.И.Иванову гр. 2310

Основы проектирования и конструирования ТРДД Запорожского МКБ «Прогресс» Д-36.

Исходные данные на взлетном режиме: Н=0, V = 0,тяга Р = =70 кН; расход воздуха через внутренний контур G = 45,18 кг/с; удельный расход топлива С = 0,360 кг/Нч; степень двухконтурности m = 6; температура газов перед турбиной Т = =1600 К; степень повышения давления вентилятора = 1,6; степень повышения давления компрессора = 26 (исходные данные берутся из курсовой работы по кафедре ТДЛА или из справочных данных соответствующих источников, например, [3]).

Дата выдачи задания: 3 сентября 2003 г.

Срок защиты: 17 декабря 2003 г.

Руководитель проекта: С.С.Сидоров (подпись).

Краткий отзыв руководителя проекта о ходе работы над проектом и оценка выполненного проекта:

Проект выполнен качественно в полном объеме. Студент И.И.Иванов работал регулярно, самостоятельно, правильно решая все поставленные задачи. Проект заслуживает отличной оценки.

Руководитель проекта: С.С.Сидоров (подпись).

Замечания комиссии: И.И.Ивановым освоены и правильно оформлены все разделы проекта. Иллюстрации выполнены с помощью программных средств компьютерных технологий.

Оценка проекта комиссией:

Отлично К.К.Курочкин (подпись)

П.П.Петров (подпись)

Реферат

Реферат содержит сведения о количестве страниц, иллюстраций, таблиц, приложений, использованных источников и перечень ключевых слов (5…15). В тексте реферата кратко отражается цель, сущность и результаты работы над темой проекта.

Пример оформления реферата:

РЕФЕРАТ

Курсовой проект.

Пояснительная записка: 13 с., 5 рис., 3 табл., 5 источников.

Графическая документация: 3 л. А1.

ДВИГАТЕЛЬ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВУХКОНТУРНЫЙ, КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВАЯ СХЕМА, ЛОПАТКА РАБОЧАЯ, ПРОЧНОСТЬ СТАТИЧЕСКАЯ, КОЛЕБАНИЯ.

Определены тип, функциональное назначение и основные данные самолета и двигателя.

Составлена конструктивно-силовая схема трехвального ТРДД без смешения потоков с двухопорными роторами низкого, среднего и высокого давлений.

Проведены расчеты на статическую и динамическую прочность двух рабочих лопаток: первой ступени компрессора высокого давления и третьей ступени турбины низкого давления.

Содержание

Содержание представляет собой систему заголовков с указанием страниц и включает: введение, разделы (подразделы, пункты), заключение, список использованных источников, приложения. Нумеруются только заголовки разделов, подразделов и пунктов.

Пример оформления содержания:

Содержание стр.

Введение

1. Летательный аппарат 4

2. Двигатель 6

3. Конструктивно-силовая схема двигателя 8

4. Расчет рабочих лопаток компрессора

и турбины на растяжение центробежными силами 11

5. Расчет рабочих лопаток компрессора

и турбины на колебания 14

Заключение 16

Список использованных источников 17

Приложения 18

Введение

Введение должно содержать:

- краткую общую историческую оценку конструктивного совершенства предлагаемого в задании двигателя и летательного аппарата;

- обоснованные цели и задачи.

Пример оформления введения:

Введение

В настоящее время двигатель Д-36 устанавливается на пассажирском самолете Як-42 (1975 г.) ближнемагистральных воздушных линий, транспортном самолете Ан-72 (1977 г.) и специальном самолете Ан-74 (1983 г.) для применения в условиях Арктики и Антарктиды. Двигатель Д-36 является двухконтурным турбореактивным (ТРДД) четвертого поколения (условного деления ГТД на этапы совершенствования).

Этот вид двигателей обеспечивает комплексу самолет–двигатель наивыгоднейшие технические и эксплуатационные показатели в различных условиях применения. Такой вывод делается на основании анализа основных критериев оптимальности (себестоимости перевозок, высокой надежности и др.) и их зависимости от основных параметров термогазодинамического цикла двигателя (степени повышения давления компрессора и температуры газа перед турбиной), степени его двухконтурности и совершенства конструкции.

Изучение источников позволило сформулировать основные задачи курсового проекта:

1. рассмотреть особенности конструкции самолета.

2. провести критический анализ и дать оценку конструктивного совершенства двигателя Д-36. Для этого самостоятельно составить и описать его конструктивно-силовую схему.

3. обосновать систему крепления двигателя к самолету.

4. подтвердить прочностную надежность двигателя, расчетами на статическую и динамическую прочность важнейших силовых деталей – рабочих лопаток компрессора и турбины.

Заключение

Заключение должно содержать краткие выводы и оценку полученных результатов.

Пример оформления заключения:

Заключение

Выполнен комплекс работ по основам проектирования и конструирования трехвального ТРДД с тягой 70 кН и удельным расходом топлива 0,360 кг/Нч трехдвигательного пассажирского самолета ближнемагистральных воздушных линий.

Составлена конструктивно-силовая схема двигателя с двухопорными роторами и упругодемпферными гидродинамическими опорами.

Расчеты на статическую прочность рабочих лопаток первой ступени КВД и третьей ступени ТНД произведены на ПК. Расчеты показали, что обе лопатки работоспособны на опасных взлетных режимах эксплуатации, а их коэффициенты запаса удовлетворяют нормам конструкционной прочности. Коэффициент запаса в опасных сечениях рабочих лопаток КВД равен 2,4, а ТНД - 3,8.

Построены резонансные диаграммы ступеней этих рабочих лопаток при колебаниях по первой изгибной форме. В рабочем диапазоне частот вращения ротора резонансные колебания возникают для КВД - от действия гармоник 2, 3, 4, а ТНД – от гармоник 12, …,17.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Летательный аппарат

В этом разделе, используя основные классификационные признаки, приводятся общие справочные данные о летательном аппарате (ЛА) [4]. Следует помнить, что в курсовом проекте рассматриваются только газотурбинные двигатели (ГТД) для аэродинамических ЛА – аппаратов, использующих для полета аэродинамическую подъемную силу. Это могут быть: самолеты, экранопланы, крылатые ракеты (подъемная сила образуется при обтекании воздушным потоком крыла); вертолеты, летающие платформы (подъемная сила образуется при обтекании воздушным потоком несущего винта).

Изложение этого раздела можно строить по следующему плану: тип ЛА, организация – разработчик, назначение, вид, модификации, количество и расположение двигателей, основные данные (взлетная масса, дальность полета, скорость полета, потолок и др.).

Систематизируя и обрабатывая источники, следует избегать неоправданной избыточности информации. Важное значение имеет также история создания ЛА. Желательно, при анализе данного ЛА, сравнить его с современными аналогами, выделить их общие и отличительные признаки. Это позволит обосновать актуальность ЛА на период его создания и перспективу развития.

Для наглядного пояснения и дополнения к тексту этого раздела необходимо самостоятельно разработать технический рисунок ЛА. На нем изобразить взаимное пространственное расположение основных частей (фюзеляж, крыло, оперение, двигатели, шасси и др.) - компоновку ЛА. Рисунок может выполняться в изометрии и диметрии и должен иметь выносные линии с последовательным расположением номеров позиций основных частей ЛА, начиная с 1-й по часовой стрелке по горизонтальной или вертикальной линиям.

Пример оформления рисунка приведен на рисунке.1.

1 2 3 4 5 6

Рисунок 1 - Истребитель: 1 – фюзеляж; 2 – кабина летчика; 3 – крыло; 4 –киль; 5 – двигатель; 6 – стабилизатор

Двигатель

Этот раздел относится к основной части курсового проекта. В нем освещается первая важнейшая стадия современной методологии создания сложных технических устройств - проектирование и конструирование ГТД. Решается сложная и важная задача, связанная с анализом готовых конструкторских решений.

Изучив источники, следует излагать в письменном виде материал, придерживаясь предлагаемого плана.

1. Общие сведения о двигателе. Вид ГТД (ТРД, ТРДФ, ТРДД, ТРДДФ, ТВаД, ТВД, ТВВД).Число валов – одновальный, двухвальный, трехвальный. Организация-разработчик. Исторические сведения. Основные параметры (тяга, кН или мощность, кВт; удельный расход топлива, кг/Н·с) и их сравнительный анализ с аналогичными видами ГТД.

2. Конструктивно-силовая схема двигателя. Конструктивно-силовая схема составляется самостоятельно в виде условного упрощенного графического изображения двигателя с сохранением его геометрического облика и формы проточной части, содержащего ротор (или роторы) и статор со связывающими их опорами.

В конструктивно-силовой схеме должны быть определены и отображены тип, количество, взаимное расположение и виды связей (соединений) структурных элементов двигателя (компрессора, турбины, камеры сгорания, входного и выходного устройств), а также силовые детали и элементы статора и ротора (или роторов), которые обеспечивают необходимые жесткостные характеристики, воспринимают и частично замыкают потоки действующих на них главных нагрузок, возникающих при работе двигателя, и передают равнодействующие этих нагрузок на систему крепления двигателя к летательному аппарату.

Конструктивно-силовая схема должна содержать выносные линии с последовательным расположением номеров позиций, начиная с 1-й по часовой стрелке по горизонтальной или вертикальной линиям.

Номерами позиций указывают:

1) структурные элементы двигателя;

2) опоры роторов;

3) соединения роторов турбин с роторами компрессоров и редукторами с указанием силовых деталей и элементов, обеспечивающих передачу крутящего момента и осевой силы (шлицевых соединений, стяжных болтов и гаек);

4) схему центрального привода агрегатов;

5) основные и вспомогательные узлы системы крепления двигателя к летательному аппарату.

Для упрощенного графического изображения используются условные обозначения как общего применения (стандарт ЕСКД), так и специального – в виде символов, отражающих специфику конструктивных особенностей авиационных двигателей [3, с. 11]. Системы уплотнений не относятся к силовым элементам и деталям, поэтому изображать их на конструктивно-силовой схеме не рекомендуется, чтобы ее не усложнять.

Примеры оформления конструктивно-силовых схем приведены:

ТРДФ Р11Ф-300 - в методическом указании [2];

ТРДДФ НК-144 – на рисунке 2.

Пояснения номеров позиций конструктивно-силовой схемы могут быть расшифрованы как в тексте, так и в подписи к рисунку, например:

Рисунок 2 – Конструктивно-силовая схема ТРДДФ НК-144: П, С, З – передняя, средняя, задняя плоскости системы крепления двигателя к самолету; 1 - входное устройство; 2 – компрессор низкого давления; 3 – компрессор высокого давления; 4 – камера сгорания основная; 5 – турбина высокого давления; 6 – турбина низкого давления; 7 – соединение корпусов подвижное; 8 – камера сгорания форсажная; 9 – реактивное сопло; 10 – задняя статорная опора ротора низкого давления; 11 – задняя межвальная опора ротора высокого давления. 12 – передняя статорная фиксирующая опора ротора высокого давления; 13 – центральный привод; 14 – шлицевое подвижное соединение валов ротора низкого давления; 15 – средняя статорная фиксирующая опора ротора низкого давления; 16 – стяжной болт; 17 – передняя статорная опора ротора низкого давления; 18 - узлы системы крепления двигателя к самолету основные; 19, 20 – узлы системы крепления двигателя к самолету вспомогательные.

3. Взаимное расположение и виды силовых связей ротора и статора (по осевому, радиальному и окружному направлениям);

4. Опоры роторов: количество (2, 3, 4, 5), тип (плавающие, фиксирующие, статорные, межвальные) и расположение. Особенности осевой фиксации роторов;

5. Соединения валов роторов турбин и компрессоров, обеспечение статической определимости роторов;

6. Тип силовой связи корпусов (одноконтурная внутренняя или внешняя, двухконтурная незамкнутая или замкнутая);

7. Входное устройство: назначение и тип (дозвуковое, сверхзвуковое).

8. Компрессор(ы): назначение и тип (осевой, центробежный, комбинированный); количество каскадов и ступеней в них; степень повышения давления; механизация компрессора (перепуск воздуха в атмосферу, регулируемые направляющие аппараты, многокаскадность).

9. Камера(ы) сгорания. Основная: назначение и тип (трубчатая, кольцевая, трубчато-кольцевая, прямоточная, противоточная, с вращающейся форсункой, многофорсуночная). Форсажная: назначение.

10. Турбина(ы): назначение и тип (осевая, центростремительная); количество каскадов и ступеней в них. Охлаждение рабочих лопаток и дисков.

11. Выходные устройства. Реактивное сопло: назначение и тип (дозвуковое, сверхзвуковое; нерегулируемое, регулируемое); Реверсивное устройство: назначение, тип (ковшовое, решетчатое) и расположение (во внутреннем или наружном контуре ТРДД).

12. Система крепления двигателя к летательному аппарату (плоскости и узлы крепления основные и вспомогательные). Назначение.

13. Системы двигателя: топливная, масляная, пусковая, управления, противообледенительная, пожаротушения. Назначение, основные устройства и агрегаты.

14. Вредные и опасные воздействия двигателя на ЛА и окружающую среду. Основы безопасности жизнедеятельности в системе «Человек – среда обитания – двигатель – чрезвычайные ситуации».

15. Баланс газовых осевых сил. Показать стрелками на конструктивно-силовой схеме направления газовых осевых сил, действующих на структурные элементы двигателя, например, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Баланс газовых осевых сил: Р – тяга двигателя; Р_ву – входное устройство; Р_скн – статор компрессора низкого давления; Р_ркн – ротор компрессора низкого давления; Р_скв – статор компрессора высокого давления; Р_ркв – ротор компрессора высокого давления; Р_стн – статор турбины низкого давления; Р_ртн – ротор турбины низкого давления; Р_ств – статор турбины высокого давления; Р_ртв – ротор турбины высокого давления; Р_кс – камера сгорания основная; Р_фкс – камера сгорания форсажная; Р_рс – реактивное сопло; Р_фон – опора фиксирующая ротора низкого давления; Р_фов – опора фиксирующая ротора высокого давления; Р₁, Р₂, Р₃, Р₄ – разгрузочные усилия, действующие на передние и задние торцы роторов компрессоров низкого и высокого давлений.

Составить диаграмму баланса осевых сил и объяснить работу разгрузочных устройств, снижающих осевые нагрузки на радиально-упорные подшипники фиксирующих опор.

Пример оформления диаграммы баланса осевых сил ТРДДФ НК-144 приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Диаграмма баланса осевых газовых сил ТРДДФ

НК – 144

Расчет рабочих лопаток компрессора

И турбины на растяжение