Расчет надежности и прогнозирование долговечности лопатки газотурбинного двигателя на базе ТВВД Д-27

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Описание конструкции компрессора ГТД

2. Расчет надежности лопатки компрессора

3. Расчет надежности лопатки компрессора при повторно-статических нагружениях

4. Расчет надежности диска

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Надежность - это один из основных показателей качества изделия, проявляющийся во времени и отражающий изменения, происходящие в изделии на протяжении всего его периода эксплуатации. Надежность, как свойство изделия, закладывается на этапе проектирования, реализуется при изготовлении и поддерживается в процессе эксплуатации. Следует всегда иметь в виду, что качественно проработанный проект является основой надежности будущего изделия.

Поведение реальных конструкций обусловлено взаимодействием целого ряда факторов, имеющих явно выраженный случайный характер. В связи с этим определение надежности конструкций невозможно без применения методов теории вероятностей и математической статистики.

На основании физики возникновения отказы могут быть разделены на две группы:

1) внезапные отказы, имеющиехарактер случайного выброса:

- хрупкое разрушение;

- превышение предела текучески в какой-либо точке детали, для которой остаточные деформации недопустимы;

- возникновение слишком больших упругих деформаций.

2) постепенные отказы, возникающие в результате необратимого накопления повреждений в детали:

- пластические деформации (деформации ползучести);

- усталостные повреждения, ведущие к развитию усталостных трещин.

Таким образом, при оценке надежности деталей авиационных ГТД необходимо учитывать внезапные и постепеннные отказы. Эти два вида разрушений в первом приближении можно считать независимыми друг от друга.

Изложенные выше допущения позволяют принимать в качестве основного показателя надежности детали вероятность безотказной работы (неразрушения), формула которой имеет вид:

где и - вероятность безотказной работы с учетом внезапных и постепенных отказов.

1 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КОМПРЕССОРА ГТД

двигатель компрессор лопатка надежность

Компрессор авиационного газотурбинного двигателя предназначен для сжатия рабочего тела (воздуха) перед подачей его в камеру сгорания. Прототип проектируемого двигателя - ТВВД Д-27 - оснащен двухкаскадным осецентробежным компрессором. Двухкаскадная схема имеет ряд преимуществ по сравнению с однокаскадной, т.к. позволяет расширить диапазон режимов работы двигателя и значительно упрощает процесс запуска.

Компрессор низкого давления

Компрессор низкого давления - осевой, дозвуковой, пятиступенчатый. Состоит из ротора КНД, приводимого во вращение турбиной низкого давления, и подвижных лопаток направляющего аппарата.

Компрессор высокого давления

Компрессор высокого давления - осецентробежный, трехступенчатый. Состоит из ротора КВД, входного направляющего аппарата и центробежного колеса с лопаточным диффузором.

2 РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА

Рабочие лопатки компрессора подвержены нагрузкам от газовых и центробежных сил, которые вызывают статические и переменные напряжения.

Статические напряжения в лопатках в основном складываются из напряжений растяжения от центробежных сил и изгибных напряжений от газовых и центробежных сил, вызванных наличием выносов центров тяжести для компенсации изгиба от газовых сил.

Исходные данные:

1. материал: ВТ9.

2. температура:

- ;

- .

3. Предел длительной прочности МПа.

4. Коэффициент вариаций предела длительной прочности .

5. Плотность материала кг/.

6. Мощность ступени Вт.

7. Число лопаток .

8. Уговая скорость рад/с.

9. Высота лопатки м.

10. Втулочный радиус м.

11. Средний радиус м.

12. Периферийный радиус м.

13. Расход газа кг/с.

14. Осевые составляющие абсолютной скорости газа на входе:

- м/с;

- м/с.

15. Давление на входе и выходе ступени:

-Па;

- Па.

16. Длина хорды лопатки м.

17. Максимальная стрела прогиба у корневого сечения м.

18. Максимальная толщина профиля корневого сечения м.

19. Окружные составляющие скорости газа в относительном движении

- м/с;

- м/с.

2.1 Расчет на прочность компрессорной лопатки первой ступени КВД.

Определение геометрических характеристик сечений пера лопатки

- моменты инерции

- моменты сопротивления изгибу

где

Определение изгибающих моментов от газовых сил в корневом сечении.

Газовые силы действующие на единицу длины рабочей лопатки (интенсивность нагрузки), находят по формулам:

- в осевой плоскости

где ,плотность газа перед и за лопаткой;



- изгибающие моменты в корневом сечении от газовых сил, действующих в окружном и осевом направлениях

где текущее расстояние до корневого сечения, ;

;

- суммарный изгибающий момент

- угол между плоскостью вращения и вектором действующего в расчетном сечении изгибающего момента

- изгибающие моменты относительно главных центральных осей инерции расчетного сечения определяются как проекции найденного вектора суммарного изгибающего момента на направление этих осей в корневом сечении

где угол установки профиля,

GT= 1.000000 CL= 5.270000E-02 RK= 1.580000E-01 RP= 2.106000E-01

VP= 0.000000E+00 UPP= 0.000000E+00 APP= 0.000000E+00

EN= 20010.000000 AA= 0.000000E+00 AU= 0.000000E+00 PU= 998.000000

PAK= 987.000000 PAP= 1385.000000 RO= 4500.000000

B= 2.010000E-02 2.010000E-02 2.010000E-02

D= 1.306000E-03 1.106000E-03 0.904000E-03

AP= 1.386000E-03 0.919000E-03 0.180000E-03

AL= 9.880000E-01 8.270000E-01 5.630000E-01

SPT= 637.650000 637.650000 637.650000 637.650000

637.650000 637.650000 637.650000 637.650000

637.650000 637.650000 637.650000

Результаты расчета на прочноcть пера лопатки

N X F Jmin Spakt SизгA SизгB SизгC

m m^2 m^4 МПа МПа МПа МПа

1 .00000 .237E-04 .764E-11 168.303 328.781 355.390 -327.852

2 .00527 .231E-04 .698E-11 155.431 284.280 305.692 -283.188

3 .01054 .226E-04 .648E-11 141.781 239.714 255.895 -238.282

4 .01581 .220E-04 .603E-11 127.322 196.175 207.663 -194.493

5 .02108 .215E-04 .561E-11 112.018 154.264 161.817 -152.503

6 .02635 .209E-04 .520E-11 95.832 114.779 119.255 -113.131

7 .03162 .203E-04 .481E-11 78.722 78.765 81.037 -77.403

8 .03689 .198E-04 .444E-11 60.639 47.532 48.419 -46.574

9 .04216 .192E-04 .407E-11 41.532 22.672 22.866 -22.154

10 .04743 .187E-04 .371E-11 21.341 6.085 6.076 -5.930

11 .05270 .181E-04 .335E-11 .000 .000 .000 .000

N SсумA SсумB SсумC Ka Kb Kc

[МПa] [МПa] [МПa]

1 497.084 523.693********* 1.283 1.218 -3.997

2 439.711 461.123 -127.757 1.450 1.383 -4.991

3 381.495 397.676 -96.501 1.671 1.603 -6.608

4 323.496 334.985 -67.171 1.971 1.904 -9.493

5 266.282 273.835 -40.484 2.395 2.329 -15.751

6 210.611 215.087 -17.299 3.028 2.965 -36.861

7 157.487 159.759 1.319 4.049 3.991 483.414

8 108.171 109.058 14.066 5.895 5.847 45.334

9 64.204 64.398 19.378 9.932 9.902 32.905

10 27.426 27.417 15.411 23.250 23.257 41.377

11 .000 .000 .000************************

Определение возможных отклонений возмущающих факторов

- мощности ступени

- высоты лопатки

- угловой скорости

- среднего радиуса

- расхода газа

- изменения осевой составляющей скорости

- изменения давления на рабочем колесе

- хорды профиля

- максимальной величины прогиба средней линии

- максимальной толщины профиля

- плотности материала

Среднеквадратические отклонения возмущающих факторов

Номинальные значения коэффициентов влияния на напряжение изгиба от газовых сил:

- составляющих изгибающих моментов по главным осям инерции:

- главных моментов инерции:

Номинальные значения коэффициентов влияния на составляющие изгибающих моментов по главным осям инерции:

- мощности ступени



- высоты лопатки

- угловой скорости

- среднего радиуса

- условного радиуса

- величины



- расход газа

- величины

- величины

Коэффициенты влияния на составляющую изгибающего момента

- мощности ступени

- высоты лопатки



- угловой скорости

- среднего радиуса

- условного радиуса

- величины

- расход газа



- величины

- величины

Номинальные значения коэффициентов влияния на главные моменты инерции:

- хорды профиля А - 40

- максимальной величины толщины профиля А - 40

- максимальной величины прогиба средней линии профиля А - 40

Номинальные значения коэффициентов влияния на напряжение растяжения:

- плотность материала лопатки

- угловой скорости

- высота пера лопатки

- среднего радиуса

Дисперсия составляющих изгибающих моментов по главным осям инерции для газовых сил:

Дисперсия моментов инерции сечения:

Дисперсия напряжения изгиба от газовых сил:

Дисперсия напряжения растяжения от центробежных сил

Дисперсия полного напряжения (напряжения растяжения от центробежной силы и напряжения изгиба от газовых сил)

Коэффициент вариации напряжения

Вероятность неразрушения детали:

где - коэффициент запаса прочности (принимаем в диапазоне 1,5…2,5);

- коэффициент вариации предела длительной прочности;

После расчета переменной х, с помощью переводных таблиц [2] найдем значение вероятности неразрушения при разных принятых коэфициентах запаса прочности. Результаты расчета сведены в таблицу, характер зависимости показан на рисунке 3.1

з	х
1,5	3,31	0,9995335
1,6	3,73	0,9999043
1,7	4,10	0,99997934
1,8	4,43	0,999995288
1,9	4,72	0,999998821
2	4,98	0,9999996821
2,1	5,22	0,9999999105
2,2	5,44	0,9999999734
2,3	5,64	0,9999999915
2,4	5,82	0,9999999971
2,5	5,99	0,9999999990

Коэффициент запаса прочности в режимах эксплуатации двигателя в конце выработки ресурса.

Принимаем время полета часов

- требуемый уровень надежности силовой установки

- требуемый уровень надежности компрессора

- требуемый уровень надежности компрессора высокого давления

- требуемый уровень надежности ступени

- требуемый уровень надежности РК

- требуемый уровень надежности лопаточного венца

- требуемый уровень надежности лопатки

3 РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА ПРИ ПОВТОРНО-СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЖЕНИЯХ

Работа узлов двигателя имеет циклический характер, а значит, и напряженно-деформируемое состояние двигателя изменяется циклически. Несмотря на то, что в каждом цикле нагружения носят статический характер, при повторных нагружениях в материале возникают явления, типичные для усталости.

Поэтому разрушение деталей при сравнительно небольшом числе циклов (N=10І…10і) называют малоцикловой усталостью, а способность материала сопротивляться такому разрушению - малоцикловой прочностью.

Расчет проводим согласно рекомендациям, представленным в методических пособиях [1,2].

Свойства материала лопатки:

- температура испытаний ;

- предел прочности МО;

- предел текучести МО;

- ;

- число циклов до разрушения .

Количество приемистостей за ресурс:

где

- количество циклов нагружения

где - число запусков за полет;

- уход на второй круг

- прерванный запуск

- количество регламентных проверок

- нештатные ситуации

тогда

Согласно центральной теореме теории вероятности значение описывается нормальным законом, следовательно:

Определяем среднее и амплитудное напряжение пульсирующего цикла:

- максимальное значение напряжения в лопатке (из таблицы 3.2)

Эффективный коэффициент концентрации напряжений:

,

где

- коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений (для сплавов титана 0,7…0,9), принимаем значение ;

- теоретический коэффициент концентрации напряжений ;

тогда

Коэффициент, учитывающий абсолютные размеры детали:

,

где

- для деформируемых материалов;

- характерный размер детали (в нашем случае - хорда лопатки);

- принимаем в первом приближении.

Коэффициент, учитывающий влияние упрочнения и состояния поверхности:

,

где

- коэффициент, определяется как отношение пределов выносливости деталей, изготовленных по действующей технологии, к пределу выносливости аналогичного образца, выполненого по стандартной технологии;

- коэффициент, характеризующий снижение пределов выносливости в результате коррозионного повреждения поверхностного слоя (в условиях пресной воды);

- коэффициент, равный отношению предела выносливости деталей при упрощающей технологии к пределу выносливости детали, выполненой без ее применения.

Вычисляем величину :

,

где

- коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла (для титановых сплавов )

Вычисляем параметры кривой выносливости:

Математическое ожидания числа циклов до разрушения на максимальном режиме:

Среднеквадратичное отклонение числа циклов до разрушения:

,

Где

Математическое ожидание:

тогда



Вывод: в расчете лопатки при повторно-статических нагружениях была получена вероятность безотказной работы (при ресурсе двигателя 17000 часов). Таким образом, при повторно-статических нагружениях за ресурс двигателя должна сохраниться работоспособность лопатки.

4 РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ДИСКА

Диски компрессоров и турбин - это наиболее ответственные элементы конструкции газотурбинных двигателей. От совершенства конструкции дисков зависит надёжность, лёгкость конструкций авиационных двигателей в целом.

Диски находятся под воздействием инерционных центробежных сил, возникающих при вращении от массы рабочих лопаток и собственной массы дисков. Эти силы вызывают в дисках растягивающие напряжения. Кроме напряжений растяжения и сжатия в дисках могут возникать напряжения кручения и изгиба.

Цель расчёта на прочность диска - определение напряжений и запасов прочности в различных сечениях по радиусу диска.

Расчёт производим на ПЭВМ с помощью программы Disk.exe. Результаты расчёта представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Расчет на прочность диска

STRENGTH ANALYSIS OF COMPRESSOR AND TURBINE DISCS

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

EXECUTOR : Berezhniy

INITIAL DATA:

DP= 0 DT= 0

rotation speed = 20010.0 rpm

number of design cross-sections = 10

number of steps in disc profile = 0

contour load = 24.0 MPa

AZ=0.0 BZ=0.0 NZ=1.0 QZ=0.0

Poisson factor = 0.3

R( 1)= 0.0935 R( 2)= 0.0985 R( 3)= 0.1035 R( 4)= 0.1085

R( 5)= 0.1135 R( 6)= 0.1165 R( 7)= 0.1195 R( 8)= 0.1235

R( 9)= 0.1285 R(10)= 0.1340 R(

B( 1)= 0.0200 B( 2)= 0.0200 B( 3)= 0.0200 B( 4)= 0.0200

B( 5)= 0.0229 B( 6)= 0.0265 B( 7)= 0.0298 B( 8)= 0.0325

B( 9)= 0.0358 B(10)= 0.3781 B(

Poisson factor = 4500.0

I R(I),M B(I),M SR,MPa ST,MPa SEK,MPa ZAP

1 0.0935 0.0200 0.0000 289.8755 289.8755 2.1997

2 0.0985 0.0200 6.0170 271.5289 268.5710 2.3742

3 0.1035 0.0200 9.5165 255.0576 250.4350 2.5462

4 0.1085 0.0200 10.9061 240.0541 234.7911 2.7158

5 0.1135 0.0229 8.9182 225.7299 221.4056 2.8800

6 0.1165 0.0265 6.4301 217.5336 214.3909 2.9742

7 0.1195 0.0298 4.0708 209.7588 207.7533 3.0693

8 0.1235 0.0325 0.9840 199.8824 199.3922 3.1980

9 0.1285 0.0358 -3.5115 188.0653 189.8455 3.3588

10 0.1340 0.3781 24.0000 185.6591 174.8985 3.6458

SR,MPa DSR,MPa ST,MPa DST,MPa SEK,MPa DSEK,MPa

0.0000 0.0000 289.8755 44.1525 289.8755 44.1525

6.0170 0.1275 271.5289 42.4719 268.5710 42.5994

9.5165 0.4322 255.0576 39.0844 250.4350 39.5166

10.9061 0.8367 240.0541 36.3926 234.7911 37.2293

8.9182 1.0082 225.7299 33.8040 221.4056 34.8121

6.4301 0.9300 217.5336 29.6328 214.3909 30.5627

4.0708 0.9141 209.7588 28.1667 207.7533 29.0808

0.9840 1.0202 199.8824 27.8785 199.3922 28.8987

-3.5115 1.1420 188.0653 28.0321 189.8455 29.1741

24.0000 153.9312 185.6591 9.0644 174.8985 162.9957

Вычисляем коэффициент вариации напряжения:

Вероятность не разрушения детали:



где - коэффициент запаса прочности;

- коэффициент вариации предела длительной прочности;

После расчета переменной х, с помощью переводных таблиц [2] найдем значение вероятности не разрушения при принятом коэффициенте запаса прочности:

Определим вероятность не разрушения конструкции:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данной работы был проведен расчет вероятности безотказной работы лопатки и диска рабочего колеса входной ступени дозвукового осевого компрессора.

Расчет надежности лопатки с учетом внезапных отказов показал, что наиболее напряженным оказался участок в точке В в сечении 1 (согласно таблице 3.2), где суммарное напряжение равно . Путем расчета был получен требуемый запас прочности , удовлетворяющий нормам прочности, предъявляемым к современным авиационным ГТД.

В расчете лопатки при повторно-статических нагружениях была получена вероятность безотказной работы (при ресурсе двигателя 17000 часов). Таким образом, при повторно-статических нагружениях за ресурс двигателя должна сохраниться работоспособность лопатки.

Вероятность безотказной работы диска составила .

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Москаленко А.С. «Расчет надежности деталей авиационных газотурбинных двигателей» Харьков «ХАИ» 1985г, 106стр.

2. Москаленко А.С. «Расчет надежности авиационного газотурбинного двигателя» Харьков «ХАИ» 1990г, 37стр.

3. Шошин Ю.С., Епифанов С.В., Зеленский Р.Л. «Расчет на прочность рабочих лопаток компрессоров и турбин» Харьков «ХАИ» 2006г, 26стр.

4. Шошин Ю.С., Епифанов С.В., Зеленский Р.Л. «Расчет на прочность дисков компрессоров и турбин» Харьков «ХАИ» 2007г, 27стр.

Размещено на Allbest.ru