Турбина двигателя приводит во вращение компрессор двигателя.

Турбина двигателя - осевая, реактивная трехступенчатая, состоит из аппарата соплового первой ступени, аппарата соплового второй ступени, аппарата соплового третьей ступени, ротора и опорного венца.

Турбина двигателя выполнена неохлаждаемой.

Аппарат сопловой первой ступени предназначен для преобразования потенциальной энергии газов в кинетическую за счет разгона потока газа на лопатках соплового аппарата.

Аппарат состоит из корпуса, пакета лопаток, аппарата направляющего, вставки и обечайки верхней.

Аппарат сопловой первой ступени крепится фланцем корпуса к фланцу корпуса аппарата соплового второй и третьей ступени.

Аппарат сопловой второй и третьей ступени состоит из корпуса, пакета лопаток второй ступени, пакета лопаток третьей ступени, вставок и сотовых уплотнений.

Ротор турбины - трехступенчатый, предназначен для преобразования кинетической энергии газа в работу.

Ротор турбины барабанно-дисковой конструкции. Диски соединены между собой штифтовым соединением. Задняя опора ротора турбокомпрессора - роликовый подшипник - размещен в опорном венце турбины.

Ротор - неразборный, состоит из дисков, лопаток рабочих и вставок лабиринтных.

Рабочие лопатки установлены в дисках, между которыми установлены лабиринтные вставки, предназначенные для устранения утечек газа в обход сопловых лопаток на собранном двигателе.

2. Задание на курсовое проектирование

1. Оценить надежность и долговечность лопатки первой ступени турбины, спроектированной в процессе выполнения курсового проекта по дисциплине «Проектирование энергоустановок» и «Газотурбинные установки, компрессорные станции и магистрали». Двигатель ДО-49 с N=2850 кВт, Gb=16.23 кг/с, Тг=1223 К.

2. Выполнить расчеты:

2.1. Расчет надежности лопатки с учетом внезапных отказов.

2.2. Расчет надежности лопатки при повторно-статическом нагружении.

2.3. Расчет надежности деталей с учетом длительной прочности.

2.4. Определение вероятности неразрушения лопатки турбины за время цикла применения в конце выработки ресурса.

3. Выполнить анализ полученных результатов.

3. Расчет надежности лопатки турбины с учетом внезапных отказов

При помощи программы кафедры 203 n_lop.exe и методических пособий [1, 2] проводим расчет для всех сечений лопатки, в результате, которого получаем распределение прочностных характеристик и вероятностей не разрушения лопатки за 1 секунду по сечениям.

В качестве исходных данных используем результаты курсового проекта по дисциплинам «Проектирование энергоустановок» и «Газотурбинные установки, компрессорные станции и газотранспортные магистрали»

Исходные данные для расчета на ЭВМ:

Значение GT=1 для турбины.

Материл лопатки ЖС 6 КП.

Плотность материала лопатки РО=8200 кг/м3 и отклонение РО9=0,03·РО=246 кг/м3.

Значение предела длительной прочности изменяется в зависимости от температуры пера лопатки. В сечениях 1-3 SPT изменяется от 411 до 378 МПа, а в сечениях 4-11 SPT=372 МПа.

Коэффициент вариации предела длительной прочности VSPT=0,0426.

Угловая скорость OMEGA=1413 рад/сек. Отклонение OMEGA9=0,03· OMEGA= 42,39 рад/сек.

Мощность ступени N=3360 кВт. Отклонение N9=0,05·N=168 кВт.

Расход газа MG=15,5, кг/сек. Отклонение MG9=0.05·MG=0,775 кг/сек.

Осевые скорости С1А=173 м/сек, С2А=184 м/сек и отклонение СА9=9,2 м/сек.

Давления Р1=1090000 Па, Р2=545000 Па и отклонение Р9=54500 Па.

Число лопаток на диске Z=91.

Длина пера лопатки L=0,0307 м и отклонение L9=16*10_6 м (по 6-му квалитету).

Радиусы корневого R1=0,2231 м и периферийного R2=0,2538 м сечений.

Средний радиус RCP=0,2385 м и отклонение RCP9=72*10_6 м (по 8-му квалитету).

Объем бандажной полки и выносы центров тяжести (отсутствует, =0).

Выносы центра тяжести периферийного сечения =0.

Хорда (постоянна по сечениям) В=0,0219 м и отклонение В9=6*10_6 м (по 5-му квалитету).

Толщина профиля лопатки в корневом, среднем и периферийном сечениях D=0,0035 м, D=0,003 м, D=0,0025 м и отклонение D9=4*10_6 м (по 5-му квалитету).

Максимальный прогиб профиля лопатки в корневом, среднем и периферийном сечениях Н=0,011, Н=0,01 Н=0,0079, м и отклонение Н9=5*10_6 м (по 5-му квалитету). Угол установки профиля в корневом, среднем и периферийном сечениях GA=1,34 рад, GA=1,1 рад, GA=1,065 рад. Интенсивности газовых сил PU=6655,796 Н/м, PAK=7605,121 Н/м, PAP=8128,163 Н/м. результаты расчета приводятся в файле LOP.REZ. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1

В результате расчета получены напряжения, коэффициенты запаса, коэффициенты вариации и вероятность неразрушения в 10-ти сечениях в самых опасных точках сечения пера лопатки.

Двигатель работает на режиме .

Определим коэффициенты запаса из расчета вероятности неразрушения лопатки из таблицы 1:

Найдем вероятность безотказной работы:

Для 5.9 функцию вероятности определяем по таблице 3[1].

Для >5,9 функцию вероятности определяем по формуле:

,

где b, a из таблицы 4[1].

Для определения интенсивности отказов () необходимо определить вероятность отказов детали в данном режиме работы двигателя:

Определим интенсивность отказов двигателя за 1 час работы:

Далее определяем вероятность не разрушения лопатки за цикл применения:

Вывод: В результате расчета надежности лопатки турбины с учетом внезапных отказов было определено, что спроектированная лопатка соответствует необходимому уровню надежности () и не нуждается в перепрофилировании.

4. Расчет надежности лопатки турбины при повторно-статических нагружениях

Узлы двигателя работают определенными циклами: запуск, рабочий режим, остановка. Соответственно этому напряженно-деформированному состояние деталей изменяется циклически.

Несмотря на то, что в каждом цикле нагружения носит статический характер, при повторных нагружениях в материале возникают явления типичные для усталости. Поэтому разрушение деталей при сравнительно не большом числе циклов (N=10²…10⁵) называют малоцикловой усталостью, способность материала сопротивляться такому разрушению называется малоцикловой прочностью.

Исходные данные:

Определяем продолжительность работы =24 ч. Количество циклов за ресурс работы двигателя =10000 ч определяем по формуле:

n_n=/=10000/24=416,67

Количество приемистостей за ресурс складывается из: проверки после регламентных работ n₅=/150=10000/1000=10; количества прерванных работ

n₆=0,005* n_n=2,083.

Следовательно, в эксплуатации за ресурс максимальное количество режимов запуска:

(N)_мах= n_n+ n₆+n₅=416,67+2,083+10=428,75

Минимальное:

(N)_мин= n_n+ n₅=416,67+10=426,66

Если считать, что на основе центральной предельной теоремы теории вероятности, что (N_мах) описывается нормальным законом, то

Определяем среднее напряжение и амплитудное пульсирующего цикла

==0,5*=0.5*178,78=89.39 МПа,

где максимальное напряжение в лопатке (из расчета на прочность таблица 1).

Эффективный коэффициент концентрации напряжений:

,

где - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений для высоколегированной стали(типа коррозионно-стойких мартенситного класса), принимаем = 0,4

- теоретический коэффициент концентрации напряжений, равный отношению напряжения при наличии концентратора к напряжению в той же точке в отсутствие концентратора. Принимаем равной =1,2

Рассчитываем коэффициент, учитывающий абсолютные размеры детали:

=0,5 для деформируемых материалов (сталей)

=0,03 выбираем из диапазона 0,01….0,03

Рассчитываем коэффициент ,учитывающий влияние состояния поверхности и упрочнения:

Коэффициент зависит от 3-х факторов: шероховатость, коррозийные повреждения, упрочняющее покрытие.

значение коэффициента, определяем как отношение пределов выносливости деталей, изготовленных по действующей технологии, к пределу выносливости аналогичного образца (детали), выполненного по «стандартной технологии» с наименьшей шероховатостью, принимаем = 1.

коэффициент характеризующий снижение пределов выносливости в результате коррозионного повреждения поверхностного слоя, при условии пресная вода (образец без концентрации напряжений в морской воде, а также с концентрацией напряжений в пресной воде), принимаем =0.23

равен отношению предела выносливости деталей при упрочняющей технологии и деталей, изготовленных без ее применения.

Метод упрочнения:

- специальная термическая обработка (нагрев до умеренных температур и быстрое охлаждение поверхности для создания сжимающих остаточных напряжений) обычно 1,6….2,5, принимаем 1,7

Вычисляем величину Б:

мПа

Где коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла, для сталей принимаем = 0,2

Вычисляем параметры кривой выносливости:

Вычисляем математическое ожидание числа циклов до разрушения детали на максимальном режиме:

Среднеквадратическое отклонение числа циклов до разрушения определяем по формуле:

Принимаем коэффициент вариации =0,1

Теперь определяем

Отсюда

Вывод: В расчете надежности деталей при повторно-статическом нагружении определили надежность, она равна 1. Это значит, что при повторно-статическом нагружении за ресурс работы двигателя сохраняется его работоспособность.

5. Расчет надежности деталей с учетом длительной прочности

Для большинства конструкционных материалов при нормальной температуре статистическая прочность практически не зависит от времени приложения нагрузки. С повышением температуры механические свойства материалов изменяются, пределы прочности обычно повышаются, но при некоторых температурах она может понижаться.

Предел длительной прочности - это постоянное напряжение, приложенное к образцу или детали, при постоянной температуре и приводящее к их разрушению в течение заданного промежутка времени.

ПОРЯДОК РАСЧЕТА.

Двигатель в эксплуатации работает в режимах:

-максимальном при Т_mах л=1063 К

-малого газа при Т_{т г Л} =723 К

Вычисляем фиктивное напряжение в деталях на всех режимах работы двигателя:

,

где - рабочее напряжение в расчетном сечении на максимальном режиме (из расчета на прочность).

Из таблиц находим значения для t_p1,t_p2=100, 1000 и определяем А

;

Определяем время до разрушения в каждом режиме эксплуатации:

-на максимальном режиме работы;

- на минимальном режиме работы.

Величина относительных накоплений повреждений за время эксплуатации:

Определяем дисперсию случайной величины П с помощью теоремы о математическом ожидании и дисперсии линейной функции:

Вычисляем дисперсию относительной величины накопленных повреждений при работе двигателя на максимальном режиме:

где коэффициент влияния

,

дисперсия возмущающих факторов:

;

где

Вычисляем дисперсию относительной величины накопленных повреждений при работе двигателя на режиме малого газа.

где коэффициент влияния

дисперсия возмущающих факторов:

,

где

Тогда

Вывод: В результате проведенного расчета была определена величина относительных накоплений повреждений за время эксплуатации, которая составила 0,1198, а также дисперсию случайной величины П при работе двигателя на максимальном режиме и малый газ.

6. Расчет надежности лопатки в конце выработки ресурса

турбина двигатель надежность лопатка

Учитывая, что разрушение лопаток турбины может произойти как в результате случайного выброса нагрузки, так и в результате случайного накопления повреждений.

Определим вероятность неразрушения лопатки рабочего колеса:

- вероятность неразрушения с учетом внезапных отказов лопатки за время эксплуатации.

;

- вероятность неразрушения с учетом постепенных отказов рабочего колеса в конце выработки ресурса,

- вероятность неразрушения с учетом постепенных отказов рабочего колеса в начале эксплуатации и в конце выработки ресурса.

Суммарная величина относительных накопленных повреждений за время эксплуатации.

;

Определяем суммарную дисперсию случайной величины П с помощью теоремы о математическом ожидании и дисперсии линейной функции.

Вычислим вероятность безотказной работы двигателя за время эксплуатации:

;

;

;

;

Отсюда: .

Теперь определим вероятность неразрушения лопаточного венца с учетом внезапных отказов в течении цикла:

Определим коэффициент запаса прочности:

Найдем вероятность безотказной работы:

;

Для 5.9 функцию вероятности определяем по таблице 3[1]

;

Для определения интенсивности отказов () необходимо определить вероятность отказов детали в данном режиме работы двигателя:

Определим интенсивность отказов двигателя за время работы:

;

Далее определяем вероятность не разрушения за время применения:

Вывод: В данной работе были произведены расчеты на определение вероятности разрушения турбины за время работы в конце выработки ресурса. Где выработка ресурса оценена как 0.99825

7. Оценка долговечности с учетом внезапных и постепенных отказов

Данная долговечность определяется на основе долговечности с учетом постепенных отказов, (=114286 ч) и долговечности (Т_в) с учетом отказов внезапных.

где суммарное среднестатистическое отклонение 20200 (определяется графически).

Время, при котором становится равным 1,

Рис. 1. Зависимость величины накопленных повреждений от времени

Вывод: Была определена долговечность с учетом внезапных и постепенных отказов, в результате чего было получено время неразрушения турбины за период эксплуатации равное 13730 ч.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были проведены основные расчеты лопатки первой ступени турбины, целью которых являлось определение надежности этой значимой детали двигателя. Вероятность неразрушения лопатки проверялась при различных условиях нагружения.

Полученные результаты показали, что спроектированная ранее лопатка турбины сможет исправно работать до первого капитального ремонта. Назначенный мной ресурс 10000 часов в настоящее время является недостаточно высоким и, по возможности, его надо повышать за счет применения более новых жаропрочных сплавов или применять лопатки с направленной кристаллизацией.

В целом надежность лопатки удовлетворяет поставленным требованиям для данного ресурса и условий эксплуатации.

Список использованной литературы

1. Москаленко А.С. “Расчет надежности деталей авиационных газотурбинных двигателей” - Харьков: «ХАИ», 1985 - 106 с.

2. Москаленко А.С. “Расчет надежности авиационного двигателя” - Харьков: «ХАИ», 1990 - 37 с.

3. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник - М.: Машиностроение, 1979 - 702 с.

Размещено на Allbest.ru