Проектирование двигателя

,

где - плотность материала;

      - угловая скорость ротора;

    - площадь текущего сечения лопатки, расположенного на радиусе r.

   - площадь расчетного сечения лопатки;

,

где и - соответственно, хорда и толщина i-го сечения лопатки;

       - угловая частота вращения;

       - частота вращения ротора, об/мин.

Расчет закона изменения  напряжений по длине лопатки основан  на численном интегрировании. Сущность численного интегрирования заключается  в том, что если известно напряжение -ом сечении и напряжений от центробежных сил массы лопатки, заключенной между сечении.

Для этого разбиваем  лопатку на десять сечений. Исходные данные берутся из расчетов и геометрии  лопатки.

При работе на лопатку действуют одновременно напряжение изгиба и растяжения.

Максимальное напряжение в сечении лопатки определяются путем сложения напряжений растяжения и суммы напряжений изгиба:

,  где  .

Наиболее  сложное  сечение определяется по величине коэффициента запаса прочности:

,

где   - предел длительной прочности при максимальной рабочей температуре.

Расчетная схема представлена на рис. 3.1. Результаты расчета сводим в Приложение 1.  По  результатам расчета строим зависимости (рис.3.2 …3.5).

                        

Рис.3.1- Расчетная схема

 

 

 

 

                                                                                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  σ_R, МПа

 

                                          Рис 3.2. Изменение напряжений растяжения

                                                                                                  

      

 

 

 

 

 

 

                        

 

 

 

 

 

 σ_иБ                                                   σ_иА        σ_иВ

 

                                                                                                                                             

 σ_и, МПа

 

 

Рис 3.3. Изменение напряжений изгиба

 

 

 

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                 σ_maxБ      σ_maxА

                                                                                     σ_maxВ

 

                                                                                                                                    σ_max, МПа

 

 

Рис.3.4. Изменение суммарных напряжений

 

              

 

 

 

 

 

                                                                                

 

Рис. 3.6. Изменение напряжений по диску: ряд 1 – радиальные напряжения; ряд 2 – окружные напряжение

        Анализ приведенных зависимостей  показывает, что максимальные напряжения  растяжения в корневом сечении  рабочей лопатки. Напряжения изгиба  меняются в зависимости от  месторасположения расчетной точки  поперечного сечения лопатки и максимальны для точки Б. Суммарные напряжения во всех точках профиля лопатки практически одинаковы.

Результаты расчета показывают, что минимальный запас прочности  составляет К_min=1,5, что удовлетворяет нормам прочности.

 

 

 

 

 

 

4. РАЗРАБОТКА КОМПРЕССОРА ПОВЫШЕННОЙ НАПОРНОСТИ

Компрессор ГТД –  лопаточная машина, предназначенная  для сжатия воздуха и подачи его  в камеру сгорания.

Осевой компрессор является одним из основных узлов газотурбинного двигателя (ГТД). Он обеспечивает предварительное  сжатие воздуха, служащего рабочим телом ГТД, и подачу его в камеру сгорания.

Осевые многоступенчатые компрессоры нашли наиболее широкое  применение в конструкции авиационных  ГТД, т.к. они способны обеспечивать высокие значения степени повышения давления и большие расходы воздуха при высоком К.П.Д, и приемлемых массе и габаритах (особенно важно – приемлемые диаметральные размеры).

Требования к компрессорам

1. Обеспечение необходимых  p_к^*  и G_в при высоком h_к^* , малых размеров и массе.

Необходимое значение p_к^* обеспечивается выбором необходимого числа ступеней и их напорностью.

Для дозвуковых ступеней £ 1,2…1,25 при ; для сверхзвуковых до 1,8…2 при .

Высоких значений К.П.Д. добиваются за счет тщательного расчета, профилирования элементов проточной части, тщательной их отделки, применением эффективных уплотнений, сводящих до минимума перетекание воздуха и т.д.

2. Устойчивая работа на всех эксплуатационных режимах с достаточным DК_у.

Обеспечивается применение двух- или трехроторных систем, сложной механизации компрессора (клапаны перепуска, постоянно действующий перепуск, поворот НА).

3. Стабильность характеристик и надежность работы в течении всего ресурса.

Обеспечивается: правильным подбором материалов; специальными мерами по упрочнению лопаток против износа; точным соблюдением технологии производства; выполнением требований технической эксплуатации и т.д.

Конструктивно компрессор представляет собой лопаточную машину, состоящую из ротора и статора  с закреплёнными на них по окружности несколькими рядами специально спрофилированных лопаток, образующих компрессорные решетки или лопаточные венцы.

Каждые две соседние лопатки в решётках образуют профилированные  каналы, называемые диффузорами, которые в зависимости от скорости течения воздуха в них будут либо расширятся (дозвуковыми) либо суживающе- расширяющимися (сверхзвуковыми), что выясняется в результате расчёта ступеней компрессора).

При работе ГТД газовая  турбина вращает ротор компрессора, т.е. передаёт ему энергию в форме механической энергии.

 

Характеристика потерь в проточной части компрессора, снижающих напорность компрессора

 

К потерям энергии  воздуха в компрессоре относятся:

• потери на трение;
• потери на вихреобразование;
• потери на волновое сопротивление;
• потери перетекания рабочего тела.

Трение воздуха в  проточной части компрессора  являются неизбежными. Оно возникает  вследствие появления вязкости воздуха  и будет тем больше, чем выше скорость потока и шероховатее обтекаемая поверхность. Трение имеет место в тонком (пограничном) слое, образующемся на  поверхности. В нем скорость воздуха уменьшается от значения, равного скорости невозмущенного потока до нулевой скорости непосредственно на стыке. По мере удаления от начальной точки толщина пограничного слоя растет, так как за счет вязкости   воздуха тормозящее  действие оказывается на все более отдаленные частицы воздуха.

Трение потока приводит к возникновению сил трения, пропорциональных квадрату скорости потока. На их преодоление  затрачивается часть механической работы, подводимой к ротору компрессора от турбины, т.е. эта работа теряется. В процессе эксплуатации компрессора потери на трение в нем возрастают из-за ухудшения качества поверхности его проточной части. Это объясняется тем, что работающий двигатель вместе с воздухом засасывает посторонние частицы (пыль, песок, мелкие камушки и т.д.), которые, двигаясь с большой скоростью, вызывают абразивный износ проточной части, изменяются его геометрические характеристики, что может явиться причиной возникновения неустойчивой работы компрессора и двигателя в целом, которая недопустима в эксплуатации. В задачу инженерно-технического состава входит принятие мер, исключающих попадание в двигатель посторонних предметов, и так же ГСМ, образующих поверхности с налипшим на них песком.

Потери на вихреобразование и волновое сопротивление обусловлены  изменением геометрии сечений воздухоподводящих  каналов. Эти потери так же являются неизбежными виду необходимых конструктивных элементов компрессора. Путями их уменьшения являются обеспечение бессрывных обтеканий, уменьшение протяженности компрессора.

Следует отметить, что  КПД современных компрессоров газотурбинных  двигателей лежит в пределах 0,8…0,9. КПД компрессора- прототипа равно 0,82. Это показывает, что 18% уходит на различные виды потерь. Указанные выше потери в компрессоре составляют:

• Потери на трение - 1%;
• Потери на вихреобразование - 2%;
• Потери на волновое сопротивление - 3%.

Остальные 12 % потерь связаны  с потерями, связанные с перетеканием рабочего тела из области повышенного давления в область пониженного давления, как в радиальных зазорах (между лопатками рабочего колеса и корпусом компрессора), так и  лабиринтных уплотнителях. Анализ изменения расхода рабочего тела осевого компрессора показывает, что в процентном соотношении доля в процессе утечки рабочего тела через радиальные зазоры равна 4%, а доля лабиринтных утечек равна 8 %. Поэтому основными путями повышения КПД компрессора являются снижение потерь через радиальные зазоры и лабиринтные уплотнения.

 

Применение сотовых  уплотнений

 

Для обеспечения свободы  вращения ротора и статора компрессора  предусматриваются радиальные и  осевые зазоры. Наличие зазоров приводит к перетеканию воздуха из области  повышенного давления в область  пониженного давления.

Перетекание сопровождается потерями энергии. Действительно, на сжатие перетекающей массы воздуха была затрачена некоторая часть работы, подведенной от турбины, но в области расположения зазора (в плоскости вращения РЛ) произошло расширение воздуха, следовательно, указанная работа оказалось потерянной. Это снижает КПД и напорность ступени компрессора.

Размеры зазоров в  холодном состоянии компрессора (монтажные  зазоры) назначают минимальными, но такими, чтобы исключить задевание  элементов ротора об элементы статора при самых неблагоприятных условиях работы компрессора. В выполняемых конструкциях компрессоров значение радиального зазора  между торцами РЛ и корпусом составляет для первых ступеней, имеющих более длинные лопатки, = 0,2…0,7 % длины РЛ, и для последних, где, вследствие снижения проточной части компрессора, лопатки укорачиваются  - =1,5…..4%.

В компрессоре прототипа, для уменьшения радиальных зазоров  между торцами РЛ и корпусом используются мягкие покрытия, в состав которых входят тальк, алюминиевая руда и связующее - жаропрочный лак.

В проектируемом компрессоре  графитоникелиевые вставки заменены на сотовые уплотнения. Сотовые уплотнения имеют меньшую (примерно в 10 раз) площадь  контакта с "лепестками", выполненными на концах РЛ последних трёх ступеней. Они легче, чем вставки, надёжнее, долговечнее. Их технология изготовления и крепления проще. При задевании сот "лепестками" РЛ соты легко снимаются без разрушения

Уплотнению придается  форма пчелиных сот, затем она размещается в полукольцах П-образного сечения и подвергается высокотемпературной пайке. При монтаже уплотнения полукольцы вставляются в корпус компрессора и закрепляются винтами. Благодаря тому, что соты имеют тонкие стенки и очень малую площадь контакта с рабочими лопатками, появляется возможность беззазорной сборки уплотнения. После приработки устанавливается минимальный зазор. Очень эффективным является применение сот в сочетании с гребешкам лабиринтных уплотнений полостей.

Исходя из выше изложенного, предлагается постановка на последней ступени  компрессора сотовых уплотнений (рис. 5.1).

Рис.4.1. Сотовые уплотнения

 

 

Применение  лабиринтных  уплотнений

 

Для уменьшения утечки рабочего тела между ступенями, в компрессоре  применяется лабиринтные уплотнения различных типов. В настоящее время на современных силовых установках применяется лабиринтные уплотнения саблевидной формы. В самом начале разработки методов борьбы с уменьшением утечки рабочего тела по тракту газотурбинного двигателя, устанавливалась П-образные лабиринтные уплотнения , которые впоследствии трансформировались в пилообразные , а затем в саблевидные . 

Однако разработка и  установка нестационарных лабиринтных  уплотнений на серийный двигатель сталкивается с рядом проблем:

• необходимо тщательное исследование поведения нестационарных лабиринтных уплотнений на всех режимах работы силовой установки;
• разработка технологии уплотнения изготовления лабиринтного уплотнения и внедрение  данной технологии в производство;
• разработка методов оценки ремонтопригодности данного типа лабиринтного уплотнения;
• разработка способов контроля за данным типом лабиринтного уплотнения в процессе его эксплуатации на серийном двигателе.