Расчет диска компрессора газотурбинного двигателя

1 Общие сведения

2 Исходные данные

3 Порядок расчета Вывод Список используемой литературы Задание

1 Общие сведения Диски компрессоров и турбин — это наиболее ответственные элементы конструкций газотурбинных двигателей. От совершенства конструкций дисков зависят надежность, легкость конструкций авиационных двигателей в целом.

При работе двигателя диски подвергаются нагрузкам различного характера. При этом возникают напряжения:

— растяжения от центробежных сил массы лопаток и собственной массы диска;

— температурные, возникающие при неравномерном нагреве диска по радиусу;

— изгибные, которые могут вызываться гироскопическим моментом, действующим на диск, разностью давлений и температур газов на боковых поверхностях диска, вибрациями дисков;

— кручения, возникающие в случае, если диск передает крутящий момент

— другие.

Из перечисленных напряжений наиболее существенными являются напряжения от центробежных сил собственной массы диска и лопаточного венца, а так же температурные (в случае неравномерного нагрева диска). Напряжения кручения обычно не велики и в расчетах (в большинстве случаев) не учитываются. Напряжения изгиба зависят от толщины диска и способа соединения дисков между собой и с валом и могут быть значительными лишь в тонких дисках.

Для оценки напряженности диска расчеты ведутся в предположении его упругого состояния. Однако в некоторых случаях напряжения могут превышать пределы упругости и текучести материала, в результате чего деформации наиболее нагруженных участков диска будут иметь пластический характер.

При расчете на прочность принимаются следующие допущения:

— диск считается симметричным относительно срединной плоскости, перпендикулярной к оси вращения;

— диск находится в плосконапряженном состоянии;

— температура диска меняется только по его радиусу и равномерна по толщине;

— напряжения на любом радиусе не меняются по толщине;

— наличие отверстий и бобышек на полотне диска, отдельных выступов и проточек на его частях не принимаются во внимание.

Цель расчета на прочность диска — определение напряжений и запасов прочности в различных сечениях по радиусу диска.

2 Исходные данные Вариант № 5

— расчетная частота вращения диска n = 14 000 об/мин;

— плотность материала диска (ВТ3−1 = 4500 кг/м3;

— температура диска по радиусу постоянна и равна 20 оС;

— предел длительной прочности ДЛ = В =1040 МПа;

— модуль упругости Е=1,15•1011 Па;

— коэффициент линейного расширения материала б=12· 10−6 1/с;

— коэффициент Пуассона = 0,3;

— толщина обода диска bК=0,028 м;

— радиус неразрезного части диска RК = 0,220 м;

— внутренний радиус обода (радиус скачка) RК-1=0,212 м;

— толщина диска на радиусе скачка bК-1=0,006 м;

— радиус части диска постоянной толщины R*=0,065 м;

— толщина части диска постоянной толщины b*=0,016 м;

— материал диска — сплав ВТ3−1;

— контурная нагрузка уRК=35МПа.

3 Порядок расчета

1. Вычерчиваем радиальное сечение диска до оси (профиль диска) в масштабе 1:1.

2. Профиль диска разбиваем на расчетные сечения от нулевого до 14-го. На радиусе скачка проведено два сечения (13−13 и 13'-13'). Число сечений — 16. Нулевое сечение для сплошного диска проведено на расстоянии (0,05…0,1) RК=0,01 м. Отношение радиусов сечений Rn/Rn-1 не должно превышать 1,4…1,5, т. е. Rn/Rn-11,4…1,5, а отношение толщин дисков bn/bn-1 должно находиться в пределах 0,8…1,2.

3. Для каждого сечения вычисляем вспомогательные величины, которые зависят от геометрических размеров диска, его материала, угловой скорости щ и распределения температур по радиусу диска.

газотурбинный двигатель самолет диск Для диска компрессора .

4. Последовательным расчетом (от центра к периферии диска) определяем для каждого сечения величины коэффициентов An, Bn, Qn, Nn.

Значения коэффициентов в нулевом сечении для сплошного диска:

A0=1; B0=0; N0=1; Q0=0.

Значения этих коэффициентов для сечения соответствующего радиусу скачка рассчитываются по следующим формулам:

5. По найденным значениям коэффициентов АК, BК и напряжению от лопаточного венца определяем напряжение в нулевом сечении по формуле:

6. В каждом сечении вычисляем напряжения уRn, уTn по формулам:

Значения этих напряжений для сечения соответствующего радиусу скачка рассчитываются по следующим формулам:

7. В каждом сечении диска находим величину уэкв. по формуле:

8. В каждом сечении диска находим запас прочности по формуле:

Для дисков компрессоров должно быть.

9. По результатам расчета строим графики изменения напряжений уRn, уTn по радиусу диска (рисунок 1).

Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Рисунок 1 — Диск компрессора со скачкообразным изменением толщины. Распределение напряжений по радиусу диска

Вывод Из полученных значений коэффициентов запаса по прочности диска можно сделать вывод о надёжности диска, так как все коэффициенты превышают минимально необходимую величину — 1,5.

Список используемой литературы

1. Расчет на прочность дисков компрессоров и турбин./ Ю. С. Шошин, С. В. Епифанов, Р. Л. Зеленский. — Учеб.пособие. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2007. — 28с.

2. Конспект лекций по курсу «Конструкция и прочность авиационных ГТД», лектор — Шошин Ю. С., 2011.