Разработка узла КНД SaM-146

1. Титульный лист.docx

Уфимский государственный авиационный технический университет
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
(обозначение документа)

Деталь.cdw

Компрессор низкого давления _ 1102.215021.000 ВО.cdw

Размеры зазоров соответствуют холодному состоянию.
Направление вращения ротора - против вращения часовой
стрелки ГОСТ 22378-77.
Допустимый дисбаланс ротора

2. Пояснительная записка.docx

В данном курсовом проекте спроектирован узел компрессора низкого давления на основе прототипа –двигателя SaM146.
Курсовой проект включает в себя:
- расчёт на статическую прочность рабочей лопатки компрессора;
- расчёт на статическую прочность диска компрессора;
- расчет на колебания рабочей лопатки компрессора;
- патентные исследования входных и защитных устройств ГПА;
- конструкторскую часть.
Расчёту на прочность и конструированию узла компрессора предшествовал термогазодинамический расчёт двигателя газодинамический расчёт компрессора расчёт по высоте и профилирование рабочей лопатки компрессора.
Выбор конструктивной схемы двигателя .6
Описание конструкции спроектированного узла .8
Расчеты на прочность и колебания .9
1 Расчет пера рабочей лопатки на статическую прочность ..11
2 Расчет на статическую прочность диска 15
3 Расчет на колебания ..20
Патентное исследование 23
Список литературы . 32
Проектируемый узел – компрессор низкого давления (КНД) входит в состав двухконтурного турбореактивного двигателя со смешением потоков (ТРДДсм). В качестве прототипа принят следующий двигатель: SaM146. Двигатель предназначен для региональных самолётов и в настоящее время устанавливается на семейство самолётов Сухой Суперджет-100. Исходные данные для проектирования узла взяты из курсового проекта по “Теории и расчёту лопаточных машин”.
Компрессор - узел газотурбинного двигателя служащий для повышения давления воздуха.
Выбор конструктивной схемы двигателя
Двигатель – двухвальный ТРДДсм. Состоит из широкохордных монолитных стреловидных лопаток вентилятора трех подпорных ступеней КНД разделительного корпуса 6-ступенчатого КВД кольцевой камеры сгорания одноступенчатой турбины высокого давления трехступенчатой турбины низкого давления камеры смешения нерегулируемого реактивного сопла с реверсивным устройством.
Примем ротор высокого давления (РВД) – двухопорным установим один подшипник шариковый выполняющий функцию осевой фиксации а второй роликовый - межвальный обеспечивающий смещение ротора относительно статора. Ротор низкого давления (РНД) – четырехопорный.
Ротор опирающийся на две опоры представляет собой статически определимую систему при которой лучше обеспечивается соосность подшипников и валов. При этом смещение подшипников приводит лишь к изменениям наклона оси вращения но не вызывают никаких дополнительных статических и динамических нагрузок которые могут появляться в статически неопределимой системе т.е. в трех - или четырехопорном роторе.
При минимальном числе опор упрощается конструкция изделия в целом за счет сокращения количества несущих деталей корпуса уплотнений упрощения маслосистемы системы суфлирования и теплозащиты опор.
При выборе места установки подшипников по длине ротора будем руководствоваться тем что радиально-упорный подшипник воспринимая радиальные нагрузки обеспечивает осевую фиксацию ротора относительно статора и передает результирующую осевую силу ротора на корпус.
Рисунок 1.1 Силовая схема разрабатываемого двигателя
- шарикоподшипник опоры ротора вентилятора;
- ротор вентилятора;
- роликоподшипник опоры ротора вентилятора;
- шарикоподшипник опоры ротора КВД;
- роликоподшипник межроторный;
- роликоподшипник опоры ротора КНД;
Описание конструкции спроектированного узла
Конструкция турбокомпрессора представлена на чертеже общего вида 1102.215021.000 ВО.
КНД предназначен для предварительного сжатия воздуха поступающего в газогенератор.
Узел компрессора осевой левого вращения состоит из широкохордных монолитных стреловидных лопаток вентилятора трех подпорных ступеней 3-ступенчатый компрессор и корпуса компрессора.
Диск компрессора через цапфу соединен с ротором при помощи болтов.
Ротор опирается на четыре опоры. Передняя опора – шариковый подшипник выполняющий функцию осевой фиксации. Средняя опора –роликовый подшипник. Задняя опора – роликовый подшипник обеспечивающий смещение ротора относительно статора. Межвальная опора – роликовый подшипник.
Корпус подпорных ступеней ;
Передняя опора ротора;
Направляющие аппараты подпорных ступеней.
Материалы основных деталей:
рабочие лопатки – ВТ3-1
диски компрессора – ВТ3-1
корпусные и тонкостенные детали - ЭП708-ВД.
Расчеты на прочность и колебания
Исходные данные необходимые для выполнения расчётов приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1. Исходные данные
Наименование параметра
Частота вращения обмин
Расход газа (воздуха) кгс
Средний диаметр проточной части на входе м
Высота проточной части на входе м
Средний диаметр проточной части на выходе м
Высота проточной части на выходе м
Температура газа на входе К
Осевая составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо ступени мс
Осевая составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса ступени мс
Окружная составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо ступени мс
Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса ступени мс
Статическое давление на входе в рабочее колесо ступени Па
Статическое давление на выходе из рабочего колеса ступени Па
Температура газа на входе в рабочее колесо ступени К
Температура газа на выходе из рабочего колеса ступени К
Наружный диаметр лопаточного венца на входе в рабочее колесо ступени м
Наружный диаметр лопаточного венца на выходе из рабочего колеса ступени м
Диаметр втулки на входе м
Диаметр втулки на выходе м
Хорда профиля рабочей лопатки мм:
Максимальная толщина профиля мм:
Угол установки профиля градус:
Длина проточной части узла м
1 Расчет пера рабочей лопатки на статическую прочность
Перо лопатки по высоте разбиваем на пять равных участков (рисунок 3.1). Для диагональной ступени корневое сечение выбирается на оси лопатки диагонального профиля. Концевое сечение выбирается на 2-3 мм ниже торца пера.
Рисунок 3.1.1- Расчётная схема
Единичные газовые силы действующие на лопатку
- радиус наружного сечения
- радиус корневого сечения.
Геометрические характеристики трех сечений определены в КОМПАС. Геометрические характеристики промежуточных сечений определены из 3D модели лопатки которая представлена на рисунке 3.1.2.
Рисунок 3.1.2 – 3D модель лопатки.
Расчёт производим в программе Volcano 1.0.
Таблица 3.1.1 – Результаты расчета рабочей лопатки
Исходные данные для расчета
Единичная газовая сила по оси X
Единичная газовая сила по оси Y
Плотность материала лопатки
Объем бандажной полки
Радиус центра масс бандажной полки
Температуры пределы длительной прочности и коэффициенты компенсации
Геометрические характеристики сечений лопатки
Рисунок 3.1.3 – Распределение напряжений вдоль пера лопатки
Рисунок 3.1.4 – Распределение запасов прочности вдоль пера лопатки
Минимальный запас длительной статической прочности получился Допустимое значение запаса длительной прочности примем . Условие выполняется прочностная надёжность обеспечена.
2 Расчет на статическую прочность диска
Исходные данные для расчёта диска берутся из предыдущих расчётов и принимаются по рекомендациям приведены в таблице 3.2.1.
Таблица 3.2.1 Исходные данные для расчёта диска
Для диска выбран сплав ВТ3-1.
Диск разбиваем на 10 сечений первое сечение совпадает с образующей центрального отверстия а последнее является касательным к окружности вписанной по нижним точкам впадин. Определяем радиус и толщину каждого кольцевого элемента.
Таблица 3.2.1 - Исходные данные для расчёта диска на прочность
Таблица 3.2.2 – Исходные данные по сечениям для расчета диска на прочность
Рисунок 3.2.1 – Расчётная схема диска
Результаты расчёта приведены в таблице 3.2.3
Таблица 3.2.3 – Результаты расчета диска на прочность
Рисунок 3.2.2 - Распределение тангенциальных напряжений по радиусу диска
Рисунок 3.2.3 - Распределение радиальных напряжений по радиусу диска
Рисунок 3.2.4 - Распределение эквивалентных напряжений по радиусу диска
Рисунок 3.2.5 – Распределение запасов прочности по радиусу диска
Минимальный запас прочности по напряжениям получился . Нормативное значение запаса длительной прочности примем Прочностная надёжность обеспечена.
3 Расчет на колебания
Расчёт производим в программе UIS-PR.
Для построения диаграммы Кэмпбелла необходимо найти значения частот колебаний возникающих при работе двигателя в диапазоне частот вращения ротора от 0 обмин до максимальной.
где - низшая собственная частота колебаний лопатки - частота вращения ротора – параметр зависящий от формы проточной части и высоты лопатки.
где – диаметр среднего сечения лопатки – высота пера лопатки.
В результате расчета в MS Excel получим значения частот колебаний возникающих в процессе работы двигателя. Результат приведен в таблице 3.3.1.
Таблица 3.3.1 – Частоты колебаний лопатки
По полученным данным строится зависимость . График представлен на рисунке 3.3.1.
Рисунок 3.3.1– Зависимость от .
Частоты действия возмущающих факторов на диаграмме Кэмпбелла будут представлены в виде лучей наклон которых зависит от порядка возмущающей гармоники k.
где k – порядок возмущающей гармоники;
– частота вращения ротора обс.
Диаграмма Кэмпбелла представлена на рисунке 3.20.
Рисунок 3.3.2 – Диаграмма Кэмпбелла
Резонансная частота будет найдена из условия .
Резонансная частота находилась для значений возмущающей гармоники от . Значения резонансных частот вращения ротора представлены в таблице 3.3.2.
Таблица 3.3.2 - Значения резонансных частот вращения ротора.
Расчет запаса по оборотам выполнен с порядком возмущающей гармоники равной восьми.
По известным оборотам и находится запас по оборотам.
Для возмущающей гармоники равной шести резонансная частота вращения равна .
Виброустойчивость лопатки обеспечена .
Патентное исследование
Тема патентного исследования: элементы статоров компрессоров ГТД.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
действует (последнее изменение статуса: 17.02.2016)
учтена за 9 год с 13.02.2016 по 12.02.2017
(21)(22) Заявка:200810476406 12.02.2008
(24)начала отсчета срока действия патента:
(45) Опубликовано:20.08.2009Бюл. №23
(56) Список документов цитированных в отчете о поиске:RU 2235914 С1 10.09.2004. RU 2131981 С1 20.06.1999. SU 1650917 А1 23.05.1991. US 4177005 А 04.12.1979. RU 2265736 C1 10.12.2005. SU 1134753 А1 15.01.1985.
Адрес для переписки:
Волченкова Елена Геннадиевна (RU)
Иванов Адольф Павлович (RU)
Уваров Игорь Емельянович (RU)
(73) Патентообладатель(и):
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") (RU)
(54)КОМПРЕССОРДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Изобретение относится к устройствам управления угловым положением направляющих лопатокстаторакомпрессораи позволяет уменьшить нагрузки на опоры подшипника путем разнесения опор подшипника как можно дальше друг от друга без увеличения габаритов и веса конструкции и путем устранения консольности установки одного рычага. Указанный технический результат достигается в компрессоредвухконтурного газотурбинного двигателя содержащем силовой промежуточный корпус с разделителем потоков вместе с корпусом регулируемого направляющего аппарата образующий жесткий модуль привод регулируемого направляющего аппарата связанный с силовым цилиндром валом установленным на двухопорном подшипнике и двумя рычагами жестко закрепленными на вале причем одна опора подшипника размещена на наружном опорномэлементе жестко связанном с силовым промежуточным корпусом а вторая опора подшипника размещена на разделителе потоков силового промежуточного корпуса при этом второй рычаг связанный с приводом регулируемого направляющего аппарата размещен между опорами. 1 з.п. ф-лы 4 ил.
Изобретение относится к управлению и регулированиюкомпрессора двухконтурного газотурбинного двигателя а именно к устройствам управления угловым положением направляющих лопатокстаторакомпрессора.
Известенкомпрессордвухконтурного газотурбинного двигателя содержащий корпус регулируемых направляющих аппаратов вместе с силовым промежуточным корпусом образующим единый жесткий модуль привод регулируемых направляющих аппаратов силовой цилиндр размещенный над вторым контуром и связанный с приводом радиальным передающимэлементом(Пономарев Б.А. Двухконтурные турбореактивные двигатели. М. Воениздат 1973 рис.46).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому нами является компрессордвухконтурного газотурбинного двигателя содержащий силовой промежуточный корпус с разделителем потоков вместе с корпусом регулируемого направляющего аппарата образующий жесткий модуль привод регулируемого направляющего аппарата силовой цилиндр размещенный над вторым контуром и связанный с приводом валом установленным на двухопорном подшипнике и двумя рычагами жестко закрепленными на вале один из которых установлен на его конце со стороны цилиндра причем одна опора подшипника выполнена на внешней стенке промежуточного корпуса (Патент РФ №2235914 МПК: F04D 2700 опубл. 2004).
В данной конструкции вал установлен на двухопорном подшипнике с жестко закрепленными на его концах рычагами. Однако из-за того что обе опоры подшипника закреплены на наружной стенке промежуточного корпуса расстояние между этими опорами минимально что приводит к большим величинам реакции опор. Кроме того малая двухопорность усугубляется и тем что оба рычага относительно опор размещены консольно. Уйти от консольности размещения рычагов в прототипе с помощью доработок в данной конструкции невозможно. Также проблематично и увеличить в прототипе расстояние между опорами в подшипнике так как увеличение расстояния между опорами ведет к увеличению радиальных габаритов узлакомпрессораи к загромождению проточной частикомпрессора. При эксплуатациикомпрессорашток силового цилиндра поворачивает верхний рычаг и вал и нижний рычаг приводя в действие привод направляющих аппаратов компрессора. При этом на вал действуют не только крутящий момент но и сила перпендикулярная его продольной оси в результате в опорах подшипника появляются поперечные силы величина которых тем больше чем меньше расстояние между опорами. Эти силы помимо появления повышенного износа опор подшипника и связанного с этим появлением больших люфтов в опорах способствуют и перекосу вала относительно оси опор. При длительной работе повышенные люфты и перекосы вала ведут к погрешностям в управлении угловым положением направляющих лопатокстаторакомпрессора что в свою очередь может снижать КПДкомпрессора.
Задача изобретения - уменьшить нагрузки на опоры подшипника путем разнесения опор подшипника как можно дальше друг от друга без увеличения габаритов и веса конструкции и путем устранения консольности установки одного рычага.
Указанная задача достигается тем что вкомпрессоредвухконтурного газотурбинного двигателя содержащем силовой промежуточный корпус с разделителем потоков вместе с корпусом регулируемого направляющего аппарата образующий жесткий модуль привод регулируемого направляющего аппарата силовой цилиндр размещенный над вторым контуром и связанный с приводом валом установленным на двухопорном подшипнике и двумя рычагами жестко закрепленными на вале один из которых установлен на его конце со стороны цилиндра причем одна опора подшипника размещена на наружном опорном элементе жестко связанном с силовым промежуточным корпусом вкомпрессоре вторая опора подшипника установлена на разделителе потоков силового промежуточного корпуса а второй рычаг связанный с приводом регулируемого направляющего аппарата размещен между опорами.
Кроме того наружный опорныйэлементможет быть выполнен заодно с силовым промежуточным корпусом.
Новым в изобретении является то что вторая опора подшипника установлена на разделителе потоков силового промежуточного корпуса а второй рычаг связанный с приводом регулируемого направляющего аппарата размещен между опорами. А также то что наружный опорныйэлементможет быть выполнен зацело с силовым промежуточным корпусом.
Размещение второй опоры подшипника на разделителе силового промежуточного корпуса увеличивает расстояние между опорами подшипника и позволяет второй рычаг связанный с приводом регулируемого направляющего аппарата закрепить в средней части вала.
Это позволяет уменьшить нагрузки на опоры подшипника путем разнесения опор подшипника как можно дальше друг от друга без увеличения габаритов и веса конструкции и путем ликвидации консольности установки второго рычага.
Выполнение наружного опорногоэлементазаодно с силовым промежуточным корпусом позволяет облегчить конструкцию однако она становится менее технологичной.
На фиг.1 показан продольный разрез устройства;
На фиг.2 показан разрез Б-Б вдоль продольной оси вала;
На фиг.3 показан вид сверху на устройство;
На фиг.4 показан вариант с выполнением наружного опорногоэлементазаодно с силовым промежуточным корпусом.
Компрессордвухконтурного газотурбинного двигателя содержит силовой промежуточный корпус 1 с разделителем потоков 2 вместе с корпусом 3 регулируемого направляющего аппарата 4 образующий жесткий модуль 5 привод 6 регулируемого направляющего аппарата 4 силовой цилиндр 7 размещенный над вторым контуром 8 и связанный с приводом 6 валом 9 установленным на двухопорном подшипнике 10 и двумя рычагами 11 и 12 жестко закрепленными на вале 9. Одна опора 13 подшипника 10 размещена на наружном опорномэлементе14 жестко связанном с промежуточным силовым корпусом 1 а вторая опора 15 размещена на разделителе потоков 2 силового промежуточного корпуса 1. Рычаг 11 установлен на конце вала 9 со стороны цилиндра 7 а второй рычаг 12 связанный с приводом 6 регулируемого направляющего аппарата 4 размещен между опорами 13 и 15. Привод 6 содержит кольцо 16 к которому через рычаги 17 подсоединены хвостовики 18 поворотных направляющих лопаток 19. Наружный опорныйэлемент14 может быть выполнен зацело с силовым корпусом 1. В качестве наружного опорногоэлемента14 может служить платформа подвески двигателя к самолету.
При работекомпрессораусилие от силового цилиндра 7 через рычаг 11 трансформируется в крутящий момент и усилие приходящие на вал 9 и передаются с вала 9 на рычаг 12 и далее на привод 6 регулируемого направляющего аппарата 4. В результате воздействия рычага 12 на кольцо 16 последнее поворачивается вокруг продольной осикомпрессора поворачивая при этом поворотные направляющие лопатки 19. При этом усилия приходящие на опоры подшипника уменьшаются за счет разнесения этих опор и избавления от консольности нижнего рычага связанного с приводом. Жесткость всей конструкции возрастает причем реакция опор уменьшается а значит возрастает и точность разворота поворотных направляющих лопаток на заданный угол.
В результате снижения усилий приходящих на опоры ресурс работы привода поворотного направляющего аппарата может значительно увеличиться.
Из описания видно что для реализации устройства используютсяэлементы применяемые в промышленности что позволяет сделать вывод о промышленной применимости изобретения.
Компрессордвухконтурного газотурбинного двигателя содержащий силовой промежуточный корпус с разделителем потоков вместе с корпусом регулируемого направляющего аппарата образующий жесткий модуль привод регулируемого направляющего аппарата силовой цилиндр размещенный над вторым контуром и связанный с приводом валом установленным на двухопорном подшипнике и двумя рычагами жестко закрепленными на вале один из которых установлен на его конце со стороны цилиндра причем одна опора подшипника размещена на наружном опорномэлементе жестко связанном с силовым промежуточным корпусом отличающийся тем что вторая опора подшипника установлена на разделителе потоков силового промежуточного корпуса а второй рычаг связанный с приводом регулируемого направляющего аппарата размещен между опорами.
Компрессордвухконтурного газотурбинного двигателя по п.1 отличающийся тем что наружный опорныйэлементвыполнен зацело с силовым промежуточным корпусом.
PC4A Государственная регистрация договора об отчуждении исключительного права
Дата и номер государственной регистрации договора:26.09.2013РД0132178
Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" (RU)
Приобретатель исключительного права:Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" (RU)
Лицо(а) передающее(ие) исключительное право:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (RU)
Дата внесения записи в Государственный реестр:26.09.2013
Дата публикации:10.11.2013
Возможно использование патента №2 364 754
Произведен выбор силовой схемы двигателя и компрессора низкого давления. Произведены расчеты на прочность рабочей лопатки компрессора диска компрессора колебаний лопатки. Результаты расчетов на прочность являются удовлетворительными. Проведены патентное исследование.
Конструкция и прочность АД и ЭУ – Методические указания Сост. Галимханов Б.К. Харитонов В.Ф. – Уфа изд. УГАТУ 2007 39с.
Методические указания “Расчёт на прочность дисков ГТД” Харитонов В.Ф. и др. – Уфа УГАТУ 2005 25с.
Расчёт критических скоростей вращения роторов ГТД Методические указания Сост. Харитонов В.Ф. и др. – Уфа изд. УГАТУ 2006 17с.
Конструкция и проектирование авиационных и газотурбинных двигателей. Под ред. Д.В. Хронина – М.: Машиностроение 1989 568с.
Детали машин. Учебное пособие. Иванов М.Н. – Москва 1976 . – 399с.
Материалы деталей авиационных ГТД. Харитонов В.Ф. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. – Уфа 2004. – 38с.

Диск.cdw

3.frw

0.frw

4.frw

1.frw

5.frw

Таблица параметров.docx

Наименование параметра
Частота вращения обмин
Расход газа (воздуха) кгс
Средний диаметр проточной части на входе м
Высота проточной части на входе м
Средний диаметр проточной части на выходе м
Высота проточной части на выходе м
Температура газа на входе К
Осевая составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо ступени мс
Осевая составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса ступени мс
Окружная составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо ступени мс
Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса ступени мс
Статическое давление на входе в рабочее колесо ступени Па
Статическое давление на выходе из рабочего колеса ступени Па
Температура газа на входе в рабочее колесо ступени К
Температура газа на выходе из рабочего колеса ступени К
Наружный диаметр лопаточного венца на входе в рабочее колесо ступени м
Наружный диаметр лопаточного венца на выходе из рабочего колеса ступени м
Диаметр втулки на входе м
Диаметр втулки на выходе м
Хорда профиля рабочей лопатки мм:
Максимальная толщина профиля мм:
Угол установки профиля градус:
Длина проточной части узла м

2.frw

Силовая схема.frw