Турбовинтовой двигатель ТВЗ-117ВМА-СБМ1

Вал передний крепится к фанцам диска первой ступени.

Рабочие лопатки 1...3 ступеней компрессора крепятся в продольных пазах типа «ласточкин хвост», а лопатки 4... 12 ступеней - в кольцевые пазы типа «ласточкин хвост», в которые лопатки заводятся через специальные окна.

Крутящий момент от вала турбины передается к ротору компрессора через эвольвентные шлицы, выполненные внутри задней цапфы.

Передняя опора ротора компрессора упругая, выполнена с роликоподшипником и имеет узел графитового уплотнения, отделяющий масляную полость роликоподшипника от воздушных полостей. Задняя опора компрессора жесткая, выполнена с шарикоподшипником.

Рис. 2.1 - Компрессор

3. Оптимизация

Оптимизация выполнена с помощью программы Mathcad:

Исходные данные

кВт К

-показатель адиабаты воздуха

- газовая постоянная для воздуха

- удельная теплоемкость воздуха

Вход в двигатель

К

К

Па

Па

Вход в компрессор

?_вх=0,97...1,0-коэффициентвосстановленияполногодавления

Са=140-180м/с - скорость на входе в компрессор

м/с

Статические и полные параметры на входе в компрессор:

К

Па

К

Па

Выход из компрессора

?ст=0,88...0,9 - среднее значение КПД ступени компрессора

?м=0,985...0,995-КПД компрессора, учитывающий потери в его опорах

Са2=120...140м/с-скорость на выходе из компрессора

м/с

КПД компрессора по параметрам заторможенного потока:

Статические и полные параметры на выходе из компрессора:

К

Па

К

Па

Работа компрессора:

Выход из камеры сгорания

?гидр=0,93...0,97 - коэффициент гидравлического сопротивления

?тепл=0,97...0,98 - коэффициент теплового сопротивления

Полное давление на выходе из камеры сгорания:

- теплотворная способность топлива

- количество воздуха теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива

Средние удельные теплоемкости продуктов сгорания и воздуха для температурного интервала от Т_о до Т₃:

Средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания и воздуха для температурного интервала от Т₂ доТ₃:

Необходимый коэффициент избытка воздуха:

Относительный расход топлива:

Газовая постоянная продуктов сгорания:

Ориентировочное значение показателя адиабаты для продуктов сгорания:

Ориентировочное значение температуры конца расширения в двигателе:

К

Средние удельные теплоемкости продуктов сгорания и воздуха в интервале от Т₃ до Т_в:

Средняя удельная теплоемкость действительных продуктов сгорания:

Действительное значение показателя адиабаты продуктов сгорания:

Выход из турбины компрессора

- количество воздуха, отбираемого на охлаждение горячих элементов двигателя и на нужды летательного аппарата

?ткн.охл_=0,9...0,92-КПД неохлаждаемой турбины по параметрам заторможенного потока

Работа турбины компрессора:

- КПД турбины 0компрессора

- степень понижения давления в турбине компрессора

Полные параметры на выходе из турбины компрессора:

К

Па

Выход из свободной турбины

?р=0,9...0.92- КПД процесса расширения в свободной турбине

Cc=80...120м/с- скорость истечения газа из двигателя

м/с

Свободная работа цикла:

Приближенное значение работы турбины винта:

Приближенное значение полной температуры на выходе из свободной турбины:

 К

Параметры на выходе из сопла:

К

Па

?рн=0,97...0,99 - коэффициент восстановления полного давления выходного устройства

Полное давление на выходе из сводной турбины:

Па

Степень понижения давления свободной турбины:

- КПД свободной турбины по параметрам заторможенного потока

Уточненные значения работы свободной турбины и полной температуры на выходе из свободной турбины:

Если?Lпревышает0,5...1%,принимаемLтв=Lтвпиповторяемрасчет

Окончательное значение параметров:

К

Параметры на выходе из сопла:

К

Па

?рн=0,97...0,99- коэффициент восстановления полного давления выходного устройства

Полное давление на выходе из сводной турбины:

Па

Степень понижения давления свободной турбины:

- КПД свободной турбины по параметрам заторможенного потока

Полная температура на выходе из сопла и суммарная степень снижения давления:

Уточненные значения работы свободной турбины и полной температуры на выходе из свободной турбины:

Удельные параметры двигателя

?ред=0,98...0,985-КПД редуктора

Удельная эквивалентная мощность:

Удельный расход топлива:

Секундный расход воздуха:

Часовой расход топлива:

Рисунок 1.1 - Зависимость удельного расхода топлива от параметров рабочего процесса

Рисунок 1.2-зависимость удельной мощности от параметров рабочего процесса

компрессор двигатель газодинамический тепловоемкость

4. Тепловой расчет двигателя

4.1 Исходные данные

Nэ=1984,5 кВт П_к^*=9,8 Т₃^*=1300 К

к= 1,4 - коэффициент адиабаты для воздуха

R= 287 Дж/кг*к - газовая постоянная для воздуха

С_р= 1005 Дж/кг*к - удельная теплоемкость воздуха

4.2 Вход в двигатель

Т₀= 288 К Р₀= 101325 Па

Т₀^*= Т₀= 288 К Р₀ ^*= Р₀= 1,01325*10⁵ Па

4.3 Вход в компрессор

?вх = 0,98 - коэффициент восстановления полного давления

Са₁=160 м/с-скорость на входе в компрессор

Статические и полные параметры на входе в компрессор:

Т₁^*= Т₀= 288 К

Р₁^*= Р₀* ?вх=101325*0.98= 99298,5 Па

Т₁= Т₁^* - Са²/2010=288-160²/2010 = 275,264 К

Р₁= Р₁^**( Т₁/ Т₁^*)^к/(к-1) =99298,5*(275,264/288)^1,4/(1,4-1)= 84760,1934 Па

4.4 Выход из компрессора

?ст=0,885 - среднее значение КПД ступени компрессора

?м=0,989- КПД компрессора, учитывающий потери в его опорах

Са₂=130 м/с - скорость на выходе из компрессора

КПД компрессора по параметрам заторможенного потока:

?_к^*=((П_к^*)^(к-1)/к-1)/((П_к^*)^{(к-1)/(к*?ст)}-1)=(9,8^(1,4-1)/1,4-1)/(9,8^{(1,4-1)/(1,4*0,885)}-1)=0,85

Статические и полные параметры на выходе из компрессора:

Т₂^*=Т₁^** [ 1+^*(( П_к^*)^(к-1)/к - 1)/ ?_к^*] = 288* [1+(9,8^(1,4-1)/1,4-1)/ 0,85] = 599,5К

Р₂^*= Р₁^** П_к^* = 84760,1934 * 9,8 = 973125,3 Па

Т₂= Т₂^* - Са²/2010 = 599,5 - 160²/2010= 591 К

Р₂= Р₂^** (Т₂/ Т₂^*)^к/(к-1) = 973125,3* (591/599,5)^1,4/(1.4-1) = 925684,07 Па

Работа компрессора:

L_к= С_р * ((Т₂^* - Т₁^*)/ ?м) = 1005* ((599,5 - 288)/0,85)= 316219,7 Дж/кг

4.5 Выход из камеры сгорания

?гидр=0,95 - коэффициент гидравлического сопротивления

?тепл=0,98- коэффициент теплового сопротивления

?кс= ?гидр* ?тепл= 0,95*098= 0,931

Полное давление на выходе из камеры сгорания:

Р₃^*= ?кс * Р₂^*=0,93я*973125,3= 905979,6 Па

Нu= 43000000 Дж/кг - теплотворная способность топлива

L0= 14.8 - количество воздуха теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива ?= 0,98

Средние удельные теплоемкости продуктов сгорания и воздуха для температурного интервала от Т_о до Т₃^*:

Ср1= 9,81* 427* (0,234+ 0.0000676* ((Т₃^*+ Т_о)/2))= 9,81* 427* (0,234+ 0.0000676* ((1300+288)/2))= 1205 Дж/кг*К

Ср2= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((Т₃^*+ Т_о)/2))= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((1300+288)/2))=1095,3 Дж/кг*К

Средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания и воздуха для температурного интервала от Т₂^* до Т₃^*:

Срр= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((Т₃^*+ Т₂^*)/2))= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((1300+599,5)/2))=1126 Дж/кг*К

Необходимый коэффициент избытка воздуха:

?= (?* Нu-[(1+ L0)* Ср1- Ср2* L0]*( Т₃^*- Т_о ))/( Срр* L0*( Т₃^*- Т₂^* )= (0,98*43000000-[(1+14,8)* 1205-1095,3*14,8]*(1300-288))/( 1126*14,8*(1300-599,5))=3,36

Относительный расход топлива:

qT= 1/( ?* L0)= 1/( 3,36* 14,8)=0,02

Газовая постоянная продуктов сгорания:

Rг= (288*(1+ L0)+287* (?-1)* L0)/(1+ ?* L0)= (288*(1+14,8)+287*(3,36

-1)*14,8)/(1+3,36*14,8)= 287,3 Дж/кг*К

Ориентировочное значение показателя адиабаты для продуктов сгорания: к=1,33

Ориентировочное значение температуры конца расширения в двигателе:

Твых= Т₃^**[( Р₀/ Р₃^*)^(к-1)/к]=1300*[(101325/905979,6)^{(1,33-1)/1,33}]=754,9 К

Средние удельные теплоемкости продуктов сгорания и воздуха в интервале от Т₃^* до Твых:

Ср11= 9,81* 427* (0,234+ 0.0000676* ((Т₃^*+ Твых)/2))= 9,81* 427* (0,234+ 0.0000676* ((1300+754,9)/2))=1271,14 Дж/кг*К

Ср21= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((Т₃^*+ Твых)/2))= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((1300+754,9)/2))= 1141,45 Дж/кг*К

Средняя удельная теплоемкость действительных продуктов сгорания:

Срг= ((1+ L0)* Ср11+( ?-1)* Ср21* L0)/(1+ ?* L0)=((1+14,8)* 1271,14+(3,36-1)* 1141,45 *14,8)/(1+3,36*14,8)= 1182 Дж/кг*К

Действительное значение показателя адиабаты продуктов сгорания:

кг= Срг/( Срг- Rг)= 1182 /(1182 -287,3)= 1,321

4.6 Выход из турбины компрессора

?Goтб=0,1 - количество воздуха, отбираемого на охлаждение горячих элементов двигателя и на нужды летательного аппарата

?тк н.охл^*=0,91 - КПД неохлаждаемой турбины по параметрам заторможенного потока

Работа турбины компрессора:

Lтк=L_к/(?м*(1+qT-?Goтб))=316219,7/(0,99*(1+0,002-0,1))=347188,9Дж/кг

?тк = ?тк н.охл^*=0,904 так как Т₃^*?1250

Птк^*= 1/(1- Lтк/ Срг* Т₃^** ?тк )^{кг/(кг-1)}

Птк^*= 1/(1-347188,9 /(1182 *1300*0,91))^{1,321/(1,321-1)}=3,27

- степень понижения давления в турбине компрессора

Полные параметры на выходе из турбины компрессора:

Т4^*= Т₃^*- Lтк/ Срг = 1300 - 347188,9 /1182 = 1006 К

Р4^*= Р₃^*/ Птк^*=905979,6/3,27 = 277057,9 Па

4.7 Выход из свободной турбины

?р=0,91 - КПД процесса расширения в свободной турбине

Cc=100 м/с - скорость истечения газа из двигателя

Свободная работа цикла:

Lсв= Срг * Т4^**[1- 1/( Р4^*/ Р₀)^{(кг-1)/кг}]= 1182 *1006 *[1-1/(277057,9/101325)^{( 1,321-1)/ 1,321}]= 230505,1 Дж/кг

Приближенное значение работы турбины винта:

Lтвп= Lсв* ?р- Cc²/2= 230505,1 *0,91 - 100²/2= 230505,1Дж/кг

Приближенное значение полной температуры на выходе из свободной турбины:

Т41п^*= Т4^*- =1006 - 230505,1 /1182 = 811 К

Параметры на выходе из сопла:

Т5= Т41п^*- Cc²/(2* Срг )= 811 - 100²/(2*230505,1)= 807 К

Р5^*= Р₀*( Т41п^*/ Т5)^{кг/(кг-1)}= 101325*(811 /807) ^{1,321/(1,321-1)}=103517,4 Па

?рн=0,98- коэффициент восстановления полного давления выходного устройства.

Полное давление на выходе из турбины винта:

Р41^*= Р5^*/ ?рн= 103517,4/0,98= 105630 Па

Степень понижения давления турбины винта:

Птв^*= Р4^*/ Р41^*= 277057,9 /105630 = 2,63

?тв^*= ?р=0,91 - КПД свободной турбины по параметрам заторможенного потока

Уточненные значения работы свободной турбины и полной температуры на выходе из свободной турбины:

Lтв= Срг * Т4^**[1 -1/ (Птв^*)^{(1,321-1)/1,321)}] *?тв^*=

= 1182*1006*[1 -1 /2,63^{(1,321-1)/1,321}]*0,91= 226596 Дж/кг

? Lтв=((Lтвп - Lтв)/ Lтв)*100= ((230505,1 - 226596)/226596)*100=1,7%

? Lтв превышает 0,5% ,тогда принимаем Lтвп= Lтв и повторяем расчёт Lтвп= Lтв = 226596 Дж/кг

Приближенное значение полной температуры на выходе из свободной турбины:

Т41п^*= Т4^*- Lтвп/ Срг =1006- 226596/1182=814,3 К

Параметры на выходе из сопла:

Т5= Т41п^*- Cc²/(2* Срг )= 814,3 - 100²/(2*1182)=810 К

Р5^*= Р₀*( Т41п^*/ Т5)^{кг/(кг-1)}= 101325*(814,3/810) ^{1,321/(1,321-1)}=103556,9 Па

?рн=0,98- коэффициент восстановления полного давления выходного устройства

Полное давление на выходе из свободной турбины:

Р41^*= Р5^*/ ?рн= 103556,9/0,98= 105670,4 Па

Степень понижения давления свободной турбины:

Птв^*= Р4^*/ Р41^*= 277057,9 /105670,4 = 2,62

?тв^*= ?р=0,91 - КПД турбины винта по параметрам заторможенного потока.

Уточненные значения работы свободной турбины и полной температуры на выходе из свободной турбины:

Lтв= Срг * Т4^**[1 -1/ (Птв^*)^{(1,321-1)/1,321)}] *?тв^*= 1182*1006*[1 -1 /2,62^{(1,321-1)/1,321}]*0,91= 301699 Дж/кг

? Lтв=( (Lтвп - Lтв)/ Lтв)*100= ((226596-301699)/ 301699)*100= 0,002%

Т41^*= Т4^* - Lтв/ Срг = 1006- 331226,4/1182= 725,7 К

Полная температура на выходе из сопла и суммарная степень снижения давления:

Т5^*= Т41^*=814,3 К

Пт?^*= Р₃^*/ Р41^*=905979,6/106357,6 = 8,58

4.8 Удельные параметры двигателя

?ред=0,98 - КПД редуктора

Удельная эквивалентная мощность:

Nеуд= = = 302 кВт*с/кг

Удельный расход топлива:

Се= (3600* qT)/ Nеуд=(3600*0,02)/ 302 = 0,217 кг/кВт*ч

Секундный расход воздуха:

Gв= Nе/ Nеуд=1984,5/302 = 5,99 кг/с

Часовой расход топлива:

Gт= Се* Nе=0,217 *1984,5= 430,6 кг/ч

5. Газодинамический раcчет

5.1 Исходные данные

Gв=5.99 кг/с ;

Са₁=160 м/с ; Са₂=130 м/с;

Параметры на входе и выходе из КВД:

Р₁= 84760 Па ; Р₁^*= 99298,5 Па;

Р₂=925684,07 Па; Р₂^*= 973125,3 Па;

Т₁= 275,264 К; Т₁^*= 288 К;

Т₂= 591 К; Т₂^*= 599,5 К.

Площадь кольцевого сечения на входе и выходе из компрессора:

Исходя из прототипа, задаемся значением относительного диаметра втулки на входе в компрессор:

Uк= 300 м/с - окружная скорость на наружном диаметре колеса

Внешний диаметр колеса втулки на входе в компрессор:

D_K1= =

= = 0,245 м

Внутренний диаметр втулки на входе в компрессор:

D_вт.1= d₁* D_K1=0,5*0,245 =0,1225 м

Средний диаметр на входе в компрессор:

D_ср.1= D_K1* = 0,245 * = 0,19 м

h1 = = 0,06 м

Проточная часть D_ср=const сочетает преимущество двух остальных форм проточной части компрессора, такие как: низкие углы закрутки потока воздуха, лопатки менее закручены и более технологичны, более высоки КПД компрессора.

Выбираем форму проточной части компрессора D_ср=const и рассчитываем диаметры на выходе из компрессора:

D_ср.1= D_ср2=0,23 м

D_K2= = = 0,24 м

D_вт.2= = = 0,22 м

d₂= D_вт.2/ D_K2=0,22/0,24 = 0,91 м

Высота лопатки на выходе из КВД:

h_к= (D_K2- D_вт.2)/2=(0,24 -0,22)/2= 0,011 м

Число оборотов вала КВД:

n= (60* Uк)/( ?* D_K1)= (60* 300)/( 3,14* 0,245)=23397,9 об/мин

Рисунок 5.1 - Схема тракта компрессора

5.2 Расчёт первой ступени КВД по D_ср

? _ст^*= (1+(Н_z* ?ст)/(Ср*Т₁^*))^к/(к-1)=(1+(26351*0,89)/(1005*288))^1,4/(1,4-1)=1,3

L_к=? Н_z

Н_z? L_к/z_ст?316219,7/12? 26351,6 Дж/кг

z_ст = 12 - количество ступеней компрессора

Параметры заторможенного потока воздуха на входе в РК:

Т_1рк^*= Т₁^*=288 К

Р_1рк^*= Р₁^** ?вна =99298,5*0,99=99298,5 Па

?_вна = 0,99 - коэффициент восстановления полного давления во ВНА ступени

Параметры заторможенного потока на выходе из первой ступени:

Т^*_вых.ст= Т_1рк^*+ Н_z/ Ср=288+26351,6/1005=314,2 К

Р^*_вых.ст= Р_1рк^** ? _ст^*= 99298,5*1,3= 129088 Па

Окружная скорость на среднем диаметре и коэффициент теоретического напора:

U_ср=U_к*= 330*) = 237.2 м/с

Н_ТСР= Н_z/(к_Н* U_ср²)= 26351,6 /(0,99 * 237,2²) = 0,47

к_Н = 0,99 - коэффициент уменьшения теоретического напора

5.3 Кинематика потока на входе в РК

?= 0,5 - степень реактивности

Окружная составляющая абсолютно скорости потока на входе в РК:

С_u1= U_ср*(1- ?-1/2 Н_ТСР)= 237,2 *(1- 0,5-1/2*0,47)=62,9 м/с

Абсолютная скорость на входе в РК:

С₁= v( Са₁²+ С_u1²)= v( 160²+ 65,9²)=171,9 м/с

?₁= С₁/v(((2*к)/(к+1))*R* Т₁^*)= 171,9 /v(((2*1,4)/(1,4+1))*287* 288)=0,55

Находим газодинамические функции по формулам (для воздуха):

Т(?₁)=1-0,1667* ?₁²=1-0,1667* 0,55²=0,949

Р(?₁)=[ Т(?₁)]^3,5= [0,949]^3,5=0,83

q(?₁)= ?₁[1,2* Т(?₁)]^2,5= 0,55 [1,2* 0,949]^2,5= 0,76

Окружная составляющая относительной скорости потока на входе в РК:

W_u1= U_ср- С_u1=237,2 - 62,9 =174,3 м/с

Относительная скорость:

W₁= v( W_u1²+ Са₁²)= v( 174,3²+ 160²) = 236,6 м/с

Направление потока на входе в РК:

?₁=arcsin(Са₁/ С₁)= arcsin(160/ 171,9)=68,56°

?₁=arcsin(Са₁/ W₁)= arcsin(160/ 236,6)=42,56°

Параметры потока на входе в РК:

Т_1рк= Т_1рк^** Т(?₁)=288*0,949 = 273,3 К

Р_1рк= Р_1рк^** Р(?₁)= 99298,5*0,83 = 82417,76 Па

5.4 Кинематика потока на выходе из РК

Задаемся осевой скоростью на выходе из рабочего колеса:

Са₂'= Са₁-(3-5)= 155 м/с

?С_u= Н_ТСР* U_ср=0,47*237,2=111,48 м/с

Окружная составляющая абсолютной скорости:

С_u2= С_u1+?С_u=62,9 +111,48 =174,4 м/с

Абсолютная скорость:

С₂= v( Са₂'²+ С_u2²)= v( 155²+ 174,4²) = 233,3 м/с

Окружная составляющая относительной скорости:

W_u2= U_ср- С_u2=237,2 - 174,4 = 62,8 м/с

Относительная скорость:

W₂= v( Са₂'²+ W_u2²)= v( 155²+ 62,8 ²) =167,23 м/с

Направление потока на выход из РК:

?₂=arcsin(155/ 167,23) = 67,9°

?₂=arcsin(155/ 233,3) = 41,63°

Давление и температура на выходе из рабочего колеса:

Т_2рк^*= Т^*_вых.ст = 314,2 К

Т_2рк= Т_2рк^*- С₂²/(2*С_р) = 314,2 - 233,3 ²/(2*1005) = 287,12 К

Р_2рк^*= Р^*_вых.ст/ ?на = 129088/0,98=131722,4 Па

?на =0,98

Р_2рк= Р_2рк^**( Т_2рк/ Т_2рк^*)^к/(к-1)=131722,4*(287,12 / 314,2 )^1,4/(1,4-1)=96085,9 Па

Закрутка потока в РК:

??= ?₂- ?₁=67,9°-42,56°=25,34°

Абсолютная скорость на выходе из ступени:

С_вых.ст= С_{а вых.ст.}/sin? _вых.ст=150/sin 67,56°=162,3 м/с

а_{кр.вых.ст.}=v(((2*к)/(к+1))*R*Т^*_вых.ст)=v(((2*1,4)/(1,4+1))*287*314,2)=324,35м/с

?_вых.ст.= С_{а вых.ст.}/ а_{кр.вых.ст.}= 150/324,35 = 0,46

Высота лопатки на входе из КВД:

h₁= (D_K1- D_вт.1)/2=0,06 м

Параметры потока на выходе из первой ступени:

Т_вых.ст= Т^*_вых.ст- С_вых.ст²/(2* С_р)= 324,35 - 162,3²/(2* 1005) = 315,25 К

Р_вых.ст= Р^*_вых.ст*( Т_вых.ст/Т^*_вых.ст)= 129088*(315,25/324,35)=116850 Па

Площадь кольцевого сечения на выходе из ступени:

F_вых.ст= (Gв*R* Т_вых.ст)/( а_{кр.вых.ст.}* Р_вых.ст* ?_вых.ст.)=( 5,99*287*315,25)

/(324,35*116850*0,46)=0,037 м²

При D_ср=const

D_{ср вых.ст.}= D_ср.1= 0,23 м

D_{к вых.ст.}=v( D_{ср вых.ст}²+(2* F_вых.ст)/?)_.=v( 0,23²+(2* 0,037)/3,14)=0,2765 м

D_{вт вых.ст.}=v( D_{ср вых.ст}²-(2* F_вых.ст)/?)_.=v( 0,23²-(2* 0,037)/3,14)=0,171 м

d _вых.ст.= D_{вт вых.ст.}/ D_{к вых.ст.}= 0,276/0,171= 1,61 м

Высота лопатки на выходе из ступени:

h _вых.ст.= (D_{к вых.ст.}- D_{вт вых.ст.})/2=( 0,2765- 0,171)/2=0,0525 м

Рисунок 5.2 - Тракт первой ступени компрессора

5.5 Определение геометрических параметров решётки профилей

Определение геометрических параметров решетки профилей на среднем радиусе сведено в таблицу 5.1. При расчете были использованы графики, представленные на рисунках 5.3 и 5.4.

Рисунок 5.3 - График зависимости

Рисунок 5.4 - График зависимости

Таблица 5.1 - Расчет параметров решетки на среднем радиусе

Рисунок 5.5 - План скоростей первой ступени

6. Расчет на прочность вала компрессора

6.1 Расчет вала на прочность

Мощность компрессора:

Крутящий момент создают окружные газодинамические силы от рабочих лопаток к валу:

где: - угловая скорость, ;

- частота вращения вала

Вес ротора:

где: - вес лопаток ротора;

- вес дисков ротора;

- масса ротора, кг;

i - элемент ротора.

Осевая сила инерции масс ротора, которая возникает при разбеге и торможении (положительное направление совпадает с направлением потока газа):

где: - коэффициент эксплуатационной перегрузки (во время разбега равен 2).

Осевая сила, которая передается на вал от одного рабочего колеса компрессора:

где: - средний диаметр проточной части;

- высота рабочей лопатки;

- соответственно давление газа перед и за рабочими лопатками;

- осевые скорости на входе и выходе из рабочего колеса;

- радиус корневого сечения лопатки;

- внешний радиус вала;

- давление газа на переднюю и заднюю стенки диска.

Третье слагаемое в формуле мы не учитываем, поэтому получаем:

Радиальная сила инерции неуравновешенных сил ротора:

где: - величина статического дисбаланса

Центробежная сила инерции, которая возникает при криволинейных эволюциях в вертикальной плоскости:

Поперечная сила:

Изгибающие моменты от силы находят, определив реакции в опорах ротора:

Следовательно:

Угловая скорость эволюции самолета:

где: - скорость полета, ()

- коэффициент эксплуатационной перегрузки, при выходе самолета с крутого пикирования ().

Полярный момент инерции ротора является мерой его инертности во вращательном действии:

где: - эмпирический коэффициент ;

- число ступеней компрессора;

- внешний диаметр ротора, см

Гироскопический момент образуют радиальные кориолисовы силы инерций масс ротора, которые возникают под действием внешних сил при криволинейных эволюциях летательных аппаратов:

Гироскопический момент действует в совмещенной плоскости векторов в направлении поворота первого вектора к другому по наименьшему пути.

Реакции в опорах:

Изгибающий момент в горизонтальной плоскости:

Суммарный изгибающий момент определяется по правилу векторного суммирования:

Определяем напряжения вала:

Для расчета выбирают несколько расчетных сечений вала, в которых возможно возникновение .

где: - момент сопротивления кручению, ;

- внешний и внутренний диаметр вала в данном сечении.

Напряжение изгиба:

где: - момент сопротивления изгиба, .

Напряжения растягивания (сжатия) в осевом направлении:

Суммарные нормальные напряжения, которые действуют вдоль оси вала:

Они достигают максимума на внешней поверхности вала.

Критерием сложного напряжения состояния вала принято эквивалентное напряжение, которое определяют по теории наибольших касательных напряжений:

Эквивалентное напряжение равнозначно по характеру действия одноосному напряжению растяжения.

Прочность оценивают по коэффициенту запаса:

Вывод: конструкция вала отвечает условиям прочности с достаточно большим запасом.

6.2 Выбор подшипников вала

По таблице 11.03 выбираем подшипники качения:

1. Роликовый компрессорный подшипник: 100x150x44

Нагрузка - осевая P=0,

радиальная R=200 даН=2000 Н;

Рабочая температура

2. Шариковый компрессорный подшипник: 90х174х68

Нагрузка - осевая P=1600 даН=16000 Н,

радиальная R=400 даН=4000 Н;

Рабочая температура

Рисунок 6.1 - Расчетная схема вала

7. Расчет на прочность лопатки

Рабочая лопатка осевых компрессоров находится при работе под действием центробежных и газовых сил. Первые вызывают у них напряжения растяжения, а вторые - изгиба.

Расчет лопатки компрессора на прочность разделяют на 2 расчеты:

- Расчет пера лопатки;

- Расчет замкового соединения.

Для расчета на прочность необходимы следующие данные:

1) геометрические размеры лопатки и ее материал (модель лопатки исполнена в программе Unigraphics NX):

- высота лопатки h = 0,06

- ширина лопатки b = 0,03

2) частота вращения вала n = 1950 об/мин

3) мощность двигателя Ne = 1984,5 кВт

Расчет первой лопатки компрессора производится в программе ANSUS.

рис. 1 Распределение расчетных напряжений

рис. 2 Распределение расчетных напряжений

рис. 3 Распределение эквивалентных напряжений

рис. 4 Распределение эквивалентных напряжений

рис. 5 Распределение эквивалентных напряжений

В результате расчетов видно, что расчетные напряжения лопатки находятся в пределах допустимых напряжений.

Вывод

Заданием для курсового проекта было проектирование узла компрессора для ТВлД на базе двигателя ТВ3-117.

Для выполнения задания было выполнены работы по сбору необходимого материала, выполнения планов и схем обработки информации и действий, направленных на выполнение курсового проекта.

В результате вышеупомянутых действий была выполнена пояснительная записка, какая состоит из 8 частей, что включают в себя описание узла, тепловой расчет, газодинамический расчет и проектирование элементов проточной части компрессора, а также расчеты на прочность.

В тепловом расчете были определены все основные параметры узлов двигателя, а также установлена необходимая мощность компрессора, какая удовлетворяет заданные параметры, а также рассчитана необходимая работа компрессора.

В газодинамическом расчете были рассчитаны размеры проточной части, какие обеспечивают необходимую мощность.

В расчете на прочность было рассчитаны вал ротора компрессора, перо и замковое соединение лопатки. В результате расчета было установлено, что конструкция узлов выдержит заданные нагрузки.

Перечень ссылок

1. Ловинский С.И. Конструкция и основы проектирования авиационных ГТД - М.: «Машиностроение», 1982. - 223 с., ил.

2. Скубачевский Г.С. Авиационные ГТД - М.: Машиностроение, 1981 - 550с., ил.

3. Никитин А.Н. Конструирование элементов деталей и узлов авиационных двигателей - М.: Машиностроение, 1982. - 175с., ил.

4. Лазитский Д.Г. Конструкция и прочность авиационных ГТД - М.: Машиностроение, 1987.- 219с., ил.

3. Г.В. Павленко. Газодинамический расчёт осевого компрессора. Учебное пособие - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 2002 - 56 с.

6. Термогазодинамический расчет газотурбинных двигателей и установок: Учебное пособие / Г.В. Павленко. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2007. - 63 с.

7. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни “Робочі процеси, конструкція, міцність і надійність авіаційних двигунів і агрегатів” для студентів спеціальності 7.090.260 “Технологія будування авіаційних двигунів” усіх форм навчання/ Укл. Сахно О.Г., Павленко Д.В., Сахнюк Н.В. - Запоріжжя: ЗНТУ. - 2004. - 58 с.

8. Методичні вказівки до практичних і самостійних робіт з дисципліни “Робочі процеси,конструкція,міцніть і надійність авіаційних двигунів та агрегатів ” для студентів спеціальності 7.090260 “Технологія будування авіаційних двигунів” усіх форм навчання/ Укл. Сахно О.Г., Павленко Д.В., Гончар Н.В., Сахнюк Н.В. - Запоріжжя: ЗНТУ. - 2004. - 27 с.

Размещено на Allbest.ru