Расчет и проектирование узла газовой турбины

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра “ Основы конструирования механизмов машин”

 

Расчет и проектирование узла газовой турбины

На основе прототипа (Д – 25В)

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине “ Прикладная механика”

 

Группа ТЭС – 310

 

Студент _______________ _________ Зарипов.И.Г

(подпись) (дата) (и., о., фамилия)

Консультант _____________ _______ В. К. Итбаев

 

Принял ________________ ________ В. К. Итбаев

 

Уфа 2007.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Техническое задание_______________________________________3 стр.

Введение________________________________________________ 4стр.

Описание конструкции и сборки_____________________________5 стр.

1 Проектный расчет вала__________________________________ 6стр.

2 Выбор подшипников_____________________________________6стр.

3 Проверка вала на усталостную прочность

в опасных сечениях________________________________________ 10стр.

Концентраторы напряжений на валу_______________________10стр.

Первое опасное сечение__________________________________11стр.

Второе опасное сечение__________________________________ 13стр.

Шлицевое соединение как опасное_________________________14стр.

4 Устойчивость вала при кручении___________________________ 15стр.

5 Подбор и расчет шлицевого соединения

в концевой части вала (ГОСТ 6033-80)________________________ 16стр.

6 Расчет штифта, соединяющего вал

и рабочее колесо с лопатками________________________________17 стр.

7 Выбор марки масла и расчет его

количества для охлаждения и смазки двух

подшипников, посаженных на валу___________________________ 19стр.

8 Расчет винтового соединения_____________________________ 21стр.

9 Эскизы стандартных деталей______________________________ 23стр.

Список использованной литературы__________________________ 26стр.

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

РАССЧИТАТЬ И СПРОЕКТИРОВАТЬ УЗЕЛ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ СО СЛЕДУЮЩИМИ ПАРАМЕТРАМИ НА ОСНОВЕ ПРОТОТИПА (Д- 25 В):

 

- Мощность турбины

- Осевая сила, действующая на вал

- Частота вращения вала

- Сосредоточенный момент

- Диаметр проточной части

- Ресурс в часах

 

ВВЕДЕНИЕ

Началу проектирования ГТД, которое, как и проектирование любого технического объекта, состоит из ряда последовательных стадий, оговоренных ГОСТ 2.103-68, предшествует выдача конструктору технического задания заказчиком двигателя. Техническое задание формируется на основании задания на создание летательного аппарата или энергоустановки, технических требований к ним, а также их предварительным совместным проработкам. ТЗ включает в себя технические характеристики, важнейшие технические требования и показатели качества, технические, экономические и специальные требования, связанные со спецификой применения данного агрегата. После соответствующей проработки, согласования и утверждения ТЗ является основным определяющим документом для всех дальнейших стадий проектирования двигателя. Предварительная проработка, формирование облика двигателя состоит из проработки и подбора вариантов конструктивных схем с выявлением их преимуществ и недостатков. Сюда же входят предварительные расчеты деталей и узлов проектируемого агрегата.

Большое внимание уделяется достижению на этом этапе высоких удельных параметров и основных технических данных, полностью удовлетворяющих техническим требованиям, особенно связанным со спецификой конструкции.

После этого следует эскизный проект. Это полная разработка конструкции двигателя со всеми узлами и деталями, более подробные расчеты. Заканчивается этот этап утверждением эскизного проекта.

Заключительная стадия - после документально заверенных и оформленных технических решений проводится стадия проектирования, т.е. создание узлов и их испытания.

Работы же по совершенствованию двигателя не прекращаются после начала его серийного производства и ведутся в направлении дальнейшего повышения надежности, улучшения технологичности и снижения трудоемкости.

 

ВЫБОР ПОДШИПНИКОВ

 

Выберем масштабный коэффициент по диаметру проточной части:

;

Тогда расстояние между двумя подшипниками вычисляется:

 

 

HA

HB

RB

RA

Найдем силы, действующие на подшипники со стороны вала. Для этого составим уравнения моментов относительно точек А и В, учитывая при этом, еще и изгибающий момент, действующий на вал со стороны колеса с лопатками.

 

А:

B:

тогда

 

 

 

тогда

 

В современных ГТД применяют несмотря на недостатки (большие радиальные размеры и большая масса) исключительно подшипники качения, обладающие по сравнению с подшипниками скольжения рядом преимуществ: способностью работать при больших частотах вращения, малыми размерами по длине, значительно меньшими коэффициентами трения. Последнее преимущество означает то, что такой подшипник требует и меньшего количества смазочного масла для охлаждения. В опорах компрессоров целесообразнее применять шариковые и роликовые подшипники с точеными неразъемными сепараторами. Для данного вала выберем шариковый радиально-упорный 4x-точечный шарикоподшипник, т.к. подшипник ротора работает при значительных нагрузках, больших угловых скоростях и повышенных температурных режимах.

Современный выбор подшипников осуществляется только на двух основных критериях. Первый - расчет на статическую грузоподъемность по остаточным деформациям, второй - расчет на ресурс (долговечность) по усталостному выкрашиванию. Расчеты по другим критериям не разработаны, т.к. связаны с целым рядом случайных факторов, трудно поддающихся учету. При проектировании машин подшипники не конструируют и не рассчитывают, а подбирают из числа уже заложенных в стандарте, по условным формулам. Эта методика стандартизована.

Сначала вычислим эквивалентную динамическую нагрузку, т.е. условную постоянную стационарную радиальную силу, которая при приложении ее к подшипнику с вращающимся внутренним кольцом и с неподвижным наружным кольцом, обеспечивает долговечность, как и при действительных условиях нагружения:

; , где

V- коэффициент вращения, зависящий от того, какое кольцо вращается относительно внешней нагрузки. В нашем случае вращается внутреннее кольцо, т.е.

-температурный коэффициент, который для подшипниковой стали ШХ 15 выбирается из (1,05-1,4), при температуре до 250 С. Для нашего конкретного случая примем:

- коэффициент безопасности, учитывающий характер нагрузки. При наличии умеренных толчков примем:

Подшипник опоры В.

- радиальная сила. В нашем случае:

- осевая сила соответственно:

В значения различны в зависимости от отношения . Объясняется это тем, что до некоторых пределов, равных коэффициенту этого отношения, дополнительная осевая нагрузка не ухудшает условия работы подшипника. Она уменьшает радиальный зазор в подшипнике и выравнивает распределение нагрузки по телам качения. В нашем случае:

>

Тогда по вышеуказанной таблице примем для радиально- упорных шарикоподшипников следующие значения:

;

Вычислим эквивалентную динамическую нагрузку:

Второй этап выбора подшипника включает нахождение базовой динамической грузоподъемности С. Т. е. Это такая постоянная стационарная сила, которую подшипник может воспринять в течение 1 млн. оборотов без проявления признаков усталости не менее чем у 90% испытываемых подшипников.

Динамическая грузоподъемность и ресурс связаны эмпирической зависимостью:

;

- ресурс в млн. оборотов:

; ,

где ресурс в часах

; - для шариковых подшипников

коэффициент долговечности, связанный с коэффициентом надежности . Тогда по ГОСТ 18855-82

;

обобщенный коэффициент совместного влияния качества металла и условий эксплуатации. Его выберем согласно из интервала (0,7-0,8):

Динамическая грузоподъемность:

 

Определим статическую грузоподъемность, т.е. такую статическую силу, которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец в наиболее нагруженной точке контакта:

;

дает следующие значения (для ):

Тогда статическая грузоподъемность:

Заключение: по вычисленным выше динамической и статической грузоподъемностям, а также по частоте вращения для жидкой смазки, с учетом внешнего диаметра вала в той части, где подшипники будут посажены по , выбираем шарикоподшипник с разъемным внутренним кольцом за номером 176317 из средней узкой серии по ГОСТ 8995-75.

Подшипник опоры А.

>

дает следующие значения (для ):

Заключение: по вычисленным выше динамической и статической грузоподъемностям, а также по частоте вращения для жидкой смазки, с учетом внешнего диаметра вала в той части, где подшипники будут посажены по , выбираем шарикоподшипник с разъемным внутренним кольцом за номером 176222 из легкой узкой серии по ГОСТ 8995-75.

 

 

 

ПЕРВОЕ ОПАСНОЕ СЕЧЕНИЕ

Для опасных сечений определим запас сопротивления усталости и сравним его с допускаемым.

Примем минимально допустимое значение запаса усталости:

;

При совместном действии напряжений кручения и изгиба запас сопротивления

усталости определяют по формуле:

;

Где ; - запас сопротивления усталости по изгибу,

; - запас сопротивления усталости по кручению.

Здесь и - амплитуды переменных составляющих циклов напряжений, а и - постоянные составляющие, которые берутся с учетом того, что проверяется вал турбины:

t,c

 

Пределы выносливости для стали 40 ХНМА - стали, из которой изготовлен вал:

;

Предел прочности для этого же материала:

;

и - коэффициенты, корректирующие влияние постоянной составляющей цикла напряжений на сопротивление усталости. Эти величины зависят от механических характеристик материала. По ГОСТ 25.504-82 рекомендуют:

;

Вычислим коэффициенты концентрации напряжений в опасном расчетном сечении при изгибе и кручении соответственно:

 

 

;

;

и - эффективные коэффициенты концентрации напряжений возьмем из

с учетом отношений и с учетом предела прочности:

- отношение величины утолщения к радиусу галтели

- отношение радиуса галтели к внешнему диаметру до утолщения

;

- коэффициент, учитывающий наличие поверхностного упрочнения. На данном участке вала целесообразно применить обкатку роликом, для которой:

;

Теперь вычислим коэффициенты влияния качества поверхности и из . Для этой части вала в качестве механической обработки возьмем чистовое шлифование () . Тогда при изгибе вычислим:

;

При кручении:

;

Подставим все эти коэффициенты в уравнение для нахождения коэффициента концентрации напряжений:

Следовательно:

 

 

Заключение: в данном опасном сечении с учетом заданных размеров условие усталостной прочности выполняется.

 

ВТОРОЕ ОПАСНОЕ СЕЧЕНИЕ

 

Проверим второе опасное сечение- галтель, после которой вал утолщается перед правым подшипником. Далее будут вычислены только те величины, которые изменятся для данного случая, остальные значения и расчетные формулы см. в 3.2.

 

 

 

- отношение величины утолщения к радиусу галтели

- отношение радиуса галтели к внешнему диаметру до утолщения

;

Подставим все эти коэффициенты в уравнение для нахождения коэффициента концентрации напряжений:

Следовательно:

 

 

 

 

Заключение: в данном опасном сечении с учетом заданных размеров условие усталостной прочности выполняется.

 

Заключение: в данном шлицевом соединении условие усталостной прочности выполняется.

РАСЧЕТ ВИНТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

 

Для заданного соединения деталей под правой опорой ротора выберем из справочника винт с шестигранной уменьшенной головкой по ГОСТ 7796-62 Винт :

Материал сталь 30Х

;

; , тогда

Определим внешнюю нагрузку, приходящуюся на один винт:

;

Соединение нагружено центральной отрывающей силой, т.е. равнодействующая сила нагрузки перпендикулярна плоскости стыка и проходит через центр тяжести его плоскости, причем задано, что:

, тогда

 

 

- внутренний диаметр метрической резьбы на винте. Из по ГОСТ 9150-67:

- при нераскрытие стыка и переменной нагрузке

- герметичность стыка

коэффициент затяжки

коэффициент внешней нагрузки

 

Следует, что

тогда,

С учетом запаса возьмем

z- число винтов

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1) В. И. Анурьев. Справочник конструктора- машиностроителя. Том 2.-М.: Машиностроение, 1979.

2) П. Ф. Дунаев, О. П. Леликов. Конструирование узлов и деталей машин.-М.: Высшая школа, 2001.

3) М. Н. Иванов, В. А. Финогенов. Детали Машин.-М.: Высшая школа, 2002.

4) Г. Б. Иосилевич. Детали машин.- М.: Машиностроение, 1988.

5) В. Н. Нарышкин, Р. В. Коросташевский. Подшипники качения. Справочник- каталог.- М.: Машиностроение, 1984.

6) Г. С. Писаренко, А. П. Яковлев, В. В. Матвеев. Справочник по сопротивлению материалов.- Киев.: Наукова Думка, 1975.

7) В. А. Тютюнов, С. И. Ловинский. Авиационные двигатели.-М.: Машиностроение, 1964.

8) В.А. Федоренко, А. И. Шошин. Справочник по машиностроительному черчению.- Ленинград.: Машиностроение, 1970.

9) Д. В. Хронин. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей.-М.: Машиностроение, 1989.

10)Лекции по Деталям машин

11)Г. С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. –М.: Машиностроение, 1981.

 

 

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра “ Основы конструирования механизмов машин”

 

Расчет и проектирование узла газовой турбины

На основе прототипа (Д – 25В)

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине “ Прикладная механика”

 

Группа ТЭС – 310

 

Студент _______________ _________ Зарипов.И.Г

(подпись) (дата) (и., о., фамилия)

Консультант _____________ _______ В. К. Итбаев

 

Принял ________________ ________ В. К. Итбаев

 

Уфа 2007.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Техническое задание_______________________________________3 стр.

Введение________________________________________________ 4стр.

Описание конструкции и сборки_____________________________5 стр.

1 Проектный расчет вала__________________________________ 6стр.

2 Выбор подшипников_____________________________________6стр.

3 Проверка вала на усталостную прочность

в опасных сечениях________________________________________ 10стр.

Концентраторы напряжений на валу_______________________10стр.

Первое опасное сечение__________________________________11стр.

Второе опасное сечение__________________________________ 13стр.

Шлицевое соединение как опасное_________________________14стр.

4 Устойчивость вала при кручении___________________________ 15стр.

5 Подбор и расчет шлицевого соединения

в концевой части вала (ГОСТ 6033-80)________________________ 16стр.

6 Расчет штифта, соединяющего вал

и рабочее колесо с лопатками________________________________17 стр.

7 Выбор марки масла и расчет его

количества для охлаждения и смазки двух

подшипников, посаженных на валу___________________________ 19стр.

8 Расчет винтового соединения_____________________________ 21стр.

9 Эскизы стандартных деталей______________________________ 23стр.

Список использованной литературы__________________________ 26стр.

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

РАССЧИТАТЬ И СПРОЕКТИРОВАТЬ УЗЕЛ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ СО СЛЕДУЮЩИМИ ПАРАМЕТРАМИ НА ОСНОВЕ ПРОТОТИПА (Д- 25 В):

 

- Мощность турбины

- Осевая сила, действующая на вал

- Частота вращения вала

- Сосредоточенный момент

- Диаметр проточной части

- Ресурс в часах

 

ВВЕДЕНИЕ

Началу проектирования ГТД, которое, как и проектирование любого технического объекта, состоит из ряда последовательных стадий, оговоренных ГОСТ 2.103-68, предшествует выдача конструктору технического задания заказчиком двигателя. Техническое задание формируется на основании задания на создание летательного аппарата или энергоустановки, технических требований к ним, а также их предварительным совместным проработкам. ТЗ включает в себя технические характеристики, важнейшие технические требования и показатели качества, технические, экономические и специальные требования, связанные со спецификой применения данного агрегата. После соответствующей проработки, согласования и утверждения ТЗ является основным определяющим документом для всех дальнейших стадий проектирования двигателя. Предварительная проработка, формирование облика двигателя состоит из проработки и подбора вариантов конструктивных схем с выявлением их преимуществ и недостатков. Сюда же входят предварительные расчеты деталей и узлов проектируемого агрегата.

Большое внимание уделяется достижению на этом этапе высоких удельных параметров и основных технических данных, полностью удовлетворяющих техническим требованиям, особенно связанным со спецификой конструкции.

После этого следует эскизный проект. Это полная разработка конструкции двигателя со всеми узлами и деталями, более подробные расчеты. Заканчивается этот этап утверждением эскизного проекта.

Заключительная стадия - после документально заверенных и оформленных технических решений проводится стадия проектирования, т.е. создание узлов и их испытания.

Работы же по совершенствованию двигателя не прекращаются после начала его серийного производства и ведутся в направлении дальнейшего повышения надежности, улучшения технологичности и снижения трудоемкости.