39632

Компрессор высокого давления турбореактивного двухконтурного двигателя тягой 140 кН

Дипломная

Производство и промышленные технологии

Цели работы: ‒ разработка конструкции КВД; ‒ расчет на прочность и колебания основных элементов компрессора; ‒ в технологической части выполнить расчеты режимов резания для одной операции; ‒ в экономическом разделе рассчитать себестоимость затрат на проектирование промежуточного диска КВД; ‒ в разделе по безопасности жизнедеятельности провести оценку безопасности жизнедеятельности пассажиров самолета путем надежности и отказобезопасности КВД. В работе проведен сравнительный анализ конструкций КВД двигателей класса тяги 1218 тонн выбрана...

Русский

2013-10-08

1.65 MB

66 чел.

Реферат

Дипломный проект 131 стр., 24 табл., 29 рис., 16 источников, 13 прил.

ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ОСЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ, КОМПРЕССОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Объектом проектирования является компрессор высокого давления турбореактивного двухконтурного двигателя тягой 140 кН.

Цели работы:

‒ разработка конструкции КВД;

‒ расчет на прочность и колебания основных элементов компрессора;

‒ в технологической части выполнить расчеты режимов резания для одной операции;

‒ в экономическом разделе рассчитать себестоимость затрат на проектирование промежуточного диска КВД;

‒ в разделе по безопасности жизнедеятельности провести оценку безопасности жизнедеятельности пассажиров самолета путем надежности и отказобезопасности КВД.

В работе проведен сравнительный анализ конструкций КВД двигателей класса тяги 12-18 тонн, выбрана конструктивная схема КВД,  выполнена детальная проработка конструкции КВД с гладкой проточной частью. Проведены расчеты на прочность рабочей лопатки 2-й ступени и промежуточного диска, расположенного между дисками 1 и 2 ступени, проведен расчет лопатки 2-й ступени на колебания, расчет крепления направляющего аппарата 1-й ступени КВД. Сделана оценка работоспособности указанных элементов конструкции.

Анализ полученных в работе результатов показывает, что разработанная конструкция компрессора высокого давления соответствует современному техническому уровню, основные элементы конструкции удовлетворяют условиям прочности.


Содержание

Реферат 5

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ 12

1.1 Анализ конструктивных схем двигателей класса тяги 12…18 тонн 12

1.2 Анализ вариантов конструктивных схем КВД 14

1.3 Разработка конструктивной схемы КВД 16

1.3.1 Проточная часть КВД 16

1.3.2 Конструкция ротора 16

1.3.3 Конструкция статора 17

1.4 Анализ основных мероприятий совершенствования узла КВД 17

1.5 Расчет газодинамических параметров КВД 18

1.5.1 Исходные данные 18

1.5.2 Принятые исходные данные 18

1.5.3 Расчет параметров потока воздуха и предварительное определение размеров проточной части компрессора 19

1.5.4 Расчет кинематических параметров на среднем радиусе ступеней 28

1.5.5 Выводы по результатам газодинамического расчета. 31

2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 33

2.1 Проработка конструкции КВД 33

2.1.1 Проработка конструкции статора КВД 33

2.1.1.1 Проработка конструкции наружных корпусов 33

2.1.1.2 Основные силы, действующие на статор компрессора 33

2.1.1.3 Проработка конструкции НА КВД 34

2.1.1.4 Система уплотнений газовоздушного тракта 36

2.1.1.5 Уплотнение масляных полостей 36

2.1.1.6 Разработка системы отборов и перепуска воздуха 36

2.1.2 Проработка конструкции ротора 37

2.1.2.1 Соединение дисков 37

2.1.2.2 Соединение лопаток с дисками 38

2.1.2.3 Основные усилия, действующие на ротор КВД 39

2.2 Расчет на статическую прочность рабочей лопатки 2-й ступени КВД 40

2.2.1 Методика расчета лопатки на статическую прочность 40

2.2.2 Определение газодинамических сил, действующих на лопатку 42

2.2.3 Определение геометрических параметров лопатки 42

2.2.4 Выбор материала лопатки 43

2.2.5 Расчет напряжений в лопатке 44

2.2.6 Оценка работоспособности лопатки по условиям прочности 45

2.3 Расчет на статическую прочность промежуточного диска КВД 46

2.3.1 Методика расчета диска по разрушающим оборотам 46

2.3.2 Выбор расчётного режима по частоте вращения 48

2.3.3 Температурный режим работы диска 48

2.3.4 Выбор материала диска и обоснование 50

2.3.5 Определение основных размеров диска. Схематизация диска 50

2.3.6 Определение контурной нагрузки на наружной поверхности диска 50

2.3.7 Определение распределения предела прочности материала по радиусу диска  50

2.3.8 Расчет коэффициентов запаса статической прочности диска по разрушающей частоте вращения 51

2.3.9 Оценка работоспособности диска по условию прочности 51

2.4 Расчет рабочей лопатки 2-й ступени КВД на колебания. 52

2.4.1 Методика определения низшей собственной частоты колебаний рабочей лопатки  52

2.4.2 Подготовка исходных данных для определения низшей частоты собственных колебаний 53

2.4.3 Расчет низшей частоты собственных колебаний лопатки 54

2.4.4 Построение резонансной диаграммы 55

2.4.5 Анализ результатов расчета лопатки на колебания 56

2.5 Расчет крепления направляющего аппарата 1-й ступени КВД 56

2.5.1 Определение газодинамических сил, действующих на лопатку 56

2.5.2 Расчет напряжений в лопатке 57

2.5.3 Оценка работоспособности НА по условию прочности 59

2.6 Выводы по разделу 60

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 61

3.1 Назначение детали и анализ её технологичности 61

3.2 Определение типа производства 64

3.3 Разработка эскизного маршрута 67

3.4 Расчет припусков и межоперационных размеров 67

3.4.1 Обработка двух торцевых поверхностей, образующих размер 180h9(–0,1) 67

3.5 Расчет режимов резания и норм времени 71

3.5.1 Расчет фрезерной операции (№ 250) 71

3.6 Вывод по разделу 76

4 РАСЧЕТ СЕБЕСТОИМОСТИ  ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ДИСКА КВД 77

4.1 Состав затрат на проектирование промежуточного диска КВД 77

4.2 Методика расчета затрат на проектирование 78

4.3 Расчет состава затрат 80

4.4 Общие выводы по результатам расчета 81

5 ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПАССАЖИРОВ САМОЛЕТА ПУТЕМ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ И ОТКАЗОБЕЗОПАСНОСТИ КВД 82

5.1 Цель 82

5.2 Предположения 83

5.3 Требования, предъявляемые к системе и ее компонентам 83

5.4 Анализ отказобезопасности КВД 84

5.5 Оценка функциональных опасностей системы (FHA) 86

5.6 Анализ видов и последствий отказов 86

5.7 Анализ деревьев отказов (FTA) 88

5.8 Выводы о соответствии системы требованиям сертификационного базиса 91

Выводы 93

Заключение 96

Список литературы 97

Приложение А 98

Приложение Б 99

Приложение В 100

Приложение Г 101

Приложение Д 102

Приложение Е 103

Приложение Ж 107

Приложение З 108

Приложение И 109

Приложение К 111

Приложение Л 112

Приложение М 113

Приложение Н 119


Перечень используемых условных обозначений, сокращений, терминов

В данном документе наряду с общепринятыми сокращениями в соответствии с ГОСТ 2.316 – 68 (Перечень допускаемых сокращений слов, применяемых в основной технической документации) и ГОСТ 8.417 – 81 (Правила написания наименования и обозначения физических величин и их единиц) используются следующие условные обозначения:

M

- число маха, момент, Н∙м;

ср

- изобарная теплоемкость, Дж/(кгК);

- приведенная скорость потока;

m

- степень двухконтурности, показатель рода газа (кгК)/Дж;

- степень повышения давления;

a 

- скорость звука, м/с;

F

- площадь, м2;

с

- абсолютная скорость, м/с;

h

- высота лопатки, м;

u

- окружная скорость, м/с;

D

- наружный диаметр, м;

w

- относительная скорость, м/с;     

d

- внутренний диаметр, м;

W

- момент сопротивления;

L

- работа, Дж/кг;

p

- давление, Па (МПа);

HT

- коэффициент теоретического напора ступени компрессора;

Т

- температура, К;

- степень реактивности;

b

- хорда профиля пера лопатки, м;

G

- массовый расход, кг/с;

i

- угол атаки, град;

qT

- приведенный расход;

S

- ширина профиля пера лопатки, м;

k

- показатель адиабаты;

z

- число лопаток;

P

- сила, Н;

α

- угол потока в абсолютном движении, град;

n

- частота вращения, об/мин;

ω

- циклическая частота, с-1

β

- угол потока в относительном движении, град;

R

- универсальная газовая постоянная, Дж/(кгК), радиус, м;

∆S

- осевой зазор, м;

- КПД;

∆r

- радиальный зазор, м;

N

- мощность, Вт(МВт);

кд

- коэффициент, учитывающий влияние неравномерности поля скоростей и пограничного слоя на стенках проточной части;

σ

- коэффициент сохранения полного давления,

напряжения, Па;

Индексы

͞

- относительный парметр

в

- вход, воздух;

*

- параметры заторможенного потока;

г

- газ;

1

- сечение на входе в ступень;

РК

- в рабочем колесе;

2

- сечение на выходе из РК;

СА

- в сопловом аппарате;

3

- сечение на выходе из ступени;

ср

- средний;

u

- окружная составляющая;

ст

- ступень;

a

- осевая составляющая;

- суммарный;

с

- в абсолютном движении;

вт

- втулочный диаметр;

w

- в относительном направлении;

квд

- сечение за компрессором высокого давления;

к

- параметр компрессора; наружный диаметр; 

кнд

- сечение за компрессором низкого давления;

из

- изоэнтропический;

ВНА

- входной направляющий аппарат;

НА

- направляющий аппарат;

Сокращения

АД

- авиационный двигатель;

КПД

- коэффициент полезного действия;

ТРДД

- турбореактивный двухконтурный двигатель;

РК

- рабочее колесо;

СА

- сопловой аппарат;

ДСЕ

- детали и сборочные единицы;

НА

- направляющий аппарат;

КВД

- компрессор высокого давления;

ТУ

- технические условия;

КНД

- компрессор низкого давления;

ТЗ

- техническое задание;

ТВД

- турбина высокого давления;

УДО

- упруго-демпферная опора;

ТНД

- турбина низкого давления;

ЧПУ

- числовое программное управление;

КС

- камера сгорания;

ВНА

- входной направляющий аппарат;

ГТД

- газотурбинный двигатель.

ИКАО

- Международная организация гражданской авиации;


Введение

Современные АД характеризуются высокими параметрами рабочего процесса и, как следствие, высокой нагрузкой на узлы двигателя. Для обеспечения конкурентоспособности новый двигатель должен соответствовать современным требованиям: низкий удельный расход топлива, надежность конструкции, обеспечение требуемого уровня шума согласно нормам ИКАО, обеспечение требуемого уровня эмиссии вредных веществ (NOx, COx), снижение стоимости жизненного цикла двигателя, удобство технического обслуживания, низкая масса.

Обеспечение указанных требований связано с решением сложных технических и технологических вопросов, определяющих конструкцию узлов двигателя. В связи с этим проектирование двигателя в последнее время выполняется в кооперации с несколькими предприятиями. Каждое предприятие выполняет свою работу, это позволяет объединить опыт и сократить проектирование двигателя. Создание нового современного двигателя является ключевой задачей в отечественном двигателестроении. Это связано с тем, что ранее разработанные двигатели уже устарели, а их модернизация не позволяет обеспечить выход на новый технический уровень.

Одним из основных и сложных узлов является КВД. Проектирование КВД сводится к  реализации достаточно высоких степеней повышения давления (16 – 20) в малом количестве ступеней (6 – 10) при сохранении требуемых КПД. В рамках данного  дипломного проекта поставлена цель спроектировать КВД с гладкой проточной частью, со степенью повышения полного давления 16,84, которая реализовывалась бы в 8 ступенях и при этом КПД должен обеспечиваться на уровне 82 ‒ 83%. Для достижения поставленной цели необходимо:

‒ определить оптимальную форму проточной части, способствующую оптимальному распределению нагрузки между ступенями;                               

‒ определить значения основных геометрических и кинематических параметров ступеней КВД,  обеспечивающих наименьшие потери при сравнительно небольшой массе;

‒ провести расчет КВД по среднему диаметру для определения характеристик ступеней и распределения параметров по длине проточной части;

‒ при необходимости выполнить корректировку проточной части и параметров ступеней для обеспечения оптимальных с точки зрения КПД и массы;

‒  разработать конструкцию ротора и статора КВД, решить задачи отборов воздуха, уплотнения газовоздушного тракта и масляных полостей;

‒ провести анализ статической прочности рабочей лопатки 2-й ступени, промежуточного диска и крепления направляющего аппарата 1-й ступени компрессора, с целью установления их работоспособности.

При проектировании необходимо учитывать, что конструкция узла должна обеспечивать следующие требования:

‒ минимизация массы;

‒ обеспечение надежности ДСЕ за счет сокращения числа деталей;

‒ сокращение потерь за счет снижения утечек в уплотнениях и перетеканий через радиальные зазоры;

‒ обеспечение технологичности изготовления и сборки;

‒ снижение трудоемкости технического обслуживания в течение всего жизненного цикла двигателя.

  1.  ОБЩАЯ ЧАСТЬ
  2.  Анализ конструктивных схем двигателей класса тяги 12…18 тонн

На данный момент в мире, в состоянии разработки, находятся следующие двигатели класса тяги 12-18 тонн, предназначенные для установки на перспективные ближне-средне магистральные самолеты (БСМС), идущих на замену существующих семейств 130…180-местных самолетов. Параметры данных двигателей представлены в таблице 1.

– редукторный ТРДД:

GTF (PW1000G) – Pratt & Whitney;

– ТРДД безредукторных схем:

ПД-14 – двухвальный с подпорными ступенями – ОАО «Авиадвигатель»;

RB-282 – двухвальный  – Rolls-Royce.

Так же для сравнения в таблице представлены параметры двухвального двигателя с подпорными ступенями ПС-90А2 разработки ОАО «Авиадвигатель»;

Таблица 1 

Параметры двигателей

ТРДД

ПД-14

PW1000G

RB-282

ПС-90А2

                           Фирма  

  Параметры

ОАО «А»

PW

RR

ОАО «А»

Диаметр вентилятора, мм

1900

2010

1830

1983

Взлетная тяга Rвзл, кН (тс)

137,3 (14,0)

133,4 (13,6)

133,4 (13,6)

160 (16)

Степень двухконтурности m

8,5

10

10

4,5

Степень сжатия в компрессоре  *к  

41

45

40

37

Тяга на крейс. реж. Rкр, кН (кгс)

24,12 (2460)

25,5 (2600)

25,5 (2600)

35,5 (3600)

Удельный расход топлива,
CR, кг/(кгс ч)

0,527

0,52…0,53

0,52

0,595

Число ступеней в компрессоре

1+3+8

1+Р+3+8

1+9

1+2+13

Число ступеней в турбине

2+6

2+3

2+5

2+4

Количество опор

3+2

5+2

3+2

3+3

Масса двигательной установки, кг

3970

3740

3890

4180

Уровень совершенства авиационных двигателей определяется рядом показателей, основными из которых являются параметры рабочего процесса, характеризующие его как тепловую машину и движитель. В качестве интегрального показателя для двигателей гражданского назначения можно использовать величину удельного расхода топлива в условиях крейсерского полета CR. Анализируя данные Таблицы 1 (часть из которых, в частности CR, являются приблизительными) можно сказать, что двигатель ПД-14 по величине термодинамических параметров, экономичности и массе силовой установки находится на уровне проектов зарубежных ТРДД нового поколения.

Ниже подробнее рассмотрены конструктивные схемы выбранных ТРДД. Схемы приведены в Приложении А, Б, В, Г.

Из данных таблицы 1 видно, что ПД-14 имеет относительно высокую степень сжатия в компрессоре *К = 41 и несколько меньшую степень двухконтурности m=8,5, по сравнению с зарубежными двигателями, что обусловлено целью получить возможно меньшую величину удельного расхода топлива на крейсерском режиме. Двигатели PW1000G и RB-282 имеют степень двухконтурности m=10, но степень сжатия в компрессоре у них отличается *К = 45 и *К = 40 соответственно. Однако ТРДДр имеет меньшее число ступеней лопаточных машин (в основном за счет применения редуктора). Применение редуктора с мощностью Nред=25000…30000 л.с., которая значительно превышает освоенные значения 13000…15000 л.с., несет в себе значительный риск и затраты, не давая существенных преимуществ в экономичности и массе двигательной установки. С другой стороны необходимо отметить то, что вентилятор редукторного двигателя имеет более высокую газодинамическую устойчивость за счет того, что вращается с меньшей частотой.

Роторы КВД у представленных двигателей барабанно-дисковые. В большинстве конструкций на двигателях данного класса тяги применяют именно такой вариант конструкции ротора. Она может отличаться расположением передней или задней цапфы, способами соединения дисков друг с другом и лопаток с дисками. В двигателях PW1000G и RB-282 передняя цапфа крепится к первой ступени компрессора, в перспективном двигателе ко второй, а в ПС-90А2 диски крепятся к валу при помощи шлиц, при этом между дисками расположены промежуточные кольца, которые усиливают ротор и образуют проточную часть.

Диски компрессора и турбины могут соединяться между собой при помощи болтов, сварки, либо шлиц. В двигателе PW1000G все диски ротора высокого давления стянуты между собой при помощи стяжного вала. Такое конструкторское решение значительно повышает ремонтопригодность и технологичность узлов КВД и ТВД, но одновременно усложняет конструкцию.

Также в конструкции двигателя PW1000G под КС находится шлицевое соединение, которое соединяет компрессор и турбину высокого давления. Минус такой конструкции в том, что это соединение расположено в горячей зоне, а в конструкции шлиц присутствуют концентраторы напряжений, что может отрицательно сказаться на ресурсе данного соединения. Плюсом же является то, что такое соединение обеспечивает меньшую массу конструкции,  сборка двигателя более технологична, продумана концепция модульности.

В конструкции рассматриваемых двигателей роликовый подшипник находится за ТВД, только в конструкции двигателя ПС-90А2 задняя опора ротора высокого давления находится под КС. Основной проблемой такого варианта расположения опоры является размещение масляной полости и подшипника в области высокой температуры и высокого давления за КВД. Поэтому необходима система охлаждения масляной полости подшипника и защиты ее от горячего воздуха высокого давления.

  1.  Анализ вариантов конструктивных схем КВД

По конструктивному исполнению роторы осевых компрессоров могут быть следующих типов:

  1.  барабанного;
  2.  дискового;
  3.  смешанного.

Достоинствами ротора барабанного типа являются:

  1.  простота конструкции;
  2.  низкая удельная масса;
  3.  большая изгибная жесткость;
  4.  высокая критическая частота вращения;
  5.  высокая вибрационная стойкость.

К недостаткам такого ротора следует отнести

  1.  невысокую несущую способность барабана;
  2.  низкую рабочую окружную скорость;
  3.  высокая трудоемкость изготовления.

Достоинствами ротора дискового типа являются:

  1.  большая несущая способность дисков:
  2.  высокая рабочая окружная скорость – до 400 м/c.

Недостатками ротора дискового типа являются:

  1.  сравнительно небольшая изгибная жесткость;
  2.  невысокая критическая частота вращения;
  3.  высокая удельная масса;
  4.  сложность конструкции.

КВД на двигателях ПС-90А и ПС-90А2 имеют ротора – дискового типа. Так как КВД состоит из 13 ступеней, то он выполнен по межопорной схеме. Передняя опора ротора КВД – упруго-демпферная, роликовый подшипник воспринимает радиальные усилия. Задней опорой ротора КВД является шариковый подшипник, который воспринимает радиальные усилия, а также разность осевых усилий, действующих на роторы КВД и ТВД.

На двигателе прототипе ПД-14 ротор барабанно-дискового типа и число ступеней меньше (8 ступеней), что увеличивает его жесткость и позволяет отказаться от задней опоры КВД. Второй опорой в данном случае будет является УДО ротора за ТВД. Таким образом ротор высокого давления расположен на двух опорах, что упрощает конструкцию и делает её в связи с уменьшением количества опор более надёжной. Поэтому в разрабатываемой конструкции КВД выбираем ротор барабанно-дискового типа. Так как применен более жесткий тип ротора барабанно-дисковый, то достаточно одной опоры ротора КВД передней радиально-упорной. Для снижения вибраций и критических оборотов в роторе КВД её необходимо выполнить УДО. Количество опор ротора высокого давления – 2 опоры. Передняя опора шарикоподшипника расположена в КВД, задняя опора роликоподшипника расположена за ТВД (межопорное расположение ротора). В современных зарубежных двигателях ротор высокого давления тоже расположен на двух опорах.

Статор компрессора двигателя ПС-90А  состоит из 5 корпусов, т.е. 6 стыков. На двигателе прототипе ПД-14 число ступеней меньше, поэтому число корпусов соответственно меньше, тем самым уменьшается количество деталей, уменьшается масса статора и повышается точность сборки деталей.

В КВД перспективных двигателей крепление лопаток к дискам в основном осуществляется замком типа «ласточкин хвост», в осевом направлении фиксация осуществляется штифтами или соседними деталями.

Так на двигателе ПС-90А  крепление лопаток осуществляется торцевыми замками, на двигателе ПД-14 – замком кольцевого типа.

Двигатель ПС-90 имеет «негладкую» форму проточной части, с двухопорным креплением лопаток НА первых ступеней, а двигатель прототип ПД-14 имеет «гладкую» форму проточной части, с двухопорным креплением лопаток ВНА и консольным креплением лопаток НА всех ступеней.

Двухопорная схема крепления НА обеспечивает более жесткое крепление лопаток, но основной недостаток такой схемы это потери, связанные с утечкой воздуха через лабиринтные уплотнения крепления НА, а также потери, связанные с формой проточной части.

  1.  Разработка конструктивной схемы КВД
    1.  Проточная часть КВД

Основные типы проточной части КВД: с постоянным втулочным, постоянным наружным, либо с постоянным средним диаметром, а так же применяются схемы состоящие из комбинации выше перечисленных типов проточных частей.    

Проточная часть с постоянным наружным диаметром имеет следующие преимущества перед другими схемами проточной части:

1). возможность уменьшения числа ступеней в связи с наибольшей средней окружной скоростью по ступеням;

2). уменьшенные значения углов поворота потока в ступенях главным образом в корневых сечениях связанные с увеличенными значениями окружной скорости;

3). постоянство радиального зазора при осевых перемещениях ротора;

4). технологически более простое изготовление корпуса.

Недостатки:

1). более короткие лопатки на выходе из компрессора

Преимущества проточной части с постоянным втулочным диаметром:

1). наибольшая из рассматриваемых схем высота лопатки на выходе.

Недостатки:

1). наименьшая работа при одинаковом количестве ступеней из рассматриваемых схем из-за меньших окружных скоростей.

Схема с постоянным средним диаметром сочетает часть преимуществ каждой схемы. Но является наиболее сложной в изготовлении по сравнению с выше рассмотренными.                                                                                  

Для проектируемого КВД, на основании конструктивной схемы прототипа выбрана схема проточной части комбинированного типа, близкая к схеме с постоянным средним диаметром. Схема проточной части показана в приложении Д.

  1.  Конструкция ротора 

Ротор КВД расположен на двух опорах: передняя – шариковый подшипник, задняя опора – роликовый подшипник, расположена за ТВД. Осевые и радиальные усилия с подшипника передаются на стоики расположенные в разделительном корпусе. Несмотря на то, что подшипник радиально упорный необходимо демпфировать биения ротора, поэтому опора выполнена УДО. Ротор барабанно-дискового типа. Применение сварочных соединений между некоторыми дисками ведет к некоторому уменьшению массы конструкции и упрощает сборку.

  1.  Конструкция статора

Корпус КВД состоит из 3 частей. НА первой ступени и всех остальных выполнены консольно, ВНА выполнен двухопорным. ВНА, НА 1-й ступени, НА 2-й ступени выполнены поворотными для обеспечения газодинамической устойчивости во всем диапазоне режимов работы двигателя. Спрямляющий аппарат крепится двухопорно к корпусу камеры сгорания. Особенностями конструкции является то, что две последние ступени устанавливаются на один диск, так как лопатки этих ступеней достаточно короткие. Передняя цапфа ротора КВД и диск 1-й ступени крепятся к диску второй ступени с помощью фланцевого болтового соединения.

Конструктивная схема КВД показана на рисунке 1.

Рис. 1. Конструктивная схема компрессора высокого давления

  1.  Анализ основных мероприятий совершенствования узла КВД

Современное развитие технологий резанья, диффузионной сварки и т.п. открыло новые пути в решении этой непростой задачи. Так, например, использование в роторе моноколес (блисков) позволяет добиться снижения массы конструкции до 25% от исходного и повысить критическое число оборотов. Дальнейшим развитием этой идеи являются роторы, изготовленные с применением технологии «блинг». «Блинг» – это рабочее кольцо, в котором лопатки выполнены с диском за одно целое. Применение данных технологий для всех ступеней позволит значительно снизить массу узла.

Также незначительное снижение массы возможно за счет анализа напряженно деформированного состояния ДСЕ.

Дальнейшая проработка узла может быть направлена на исключение части болтовых соединений и заменой их сварочными.

Также можно рассмотреть такие мероприятия как:

- Уменьшение стыков между корпусами;

- Применение новых материалов;

- Разработка конструкции стяжного ротора, тем самым мы можем ликвидировать концентраторы напряжений в местах болтовых соединений, уменьшить массу диска и увеличить жестокость ротора.

  1.  Расчет газодинамических параметров КВД
    1.  Исходные данные

=53,32 кг/с – расход воздуха через КВД;

=361,9 К – температура торможения на входе в КВД;

=207727 Па – давление торможения на входе в КВД;

=15387 об/мин – частота вращения ротора высокого давления;

 − степень повышения давления в КВД.

  1.  Принятые исходные данные

=0,83 – КПД КВД по параметрам торможения. Учитывая высокую нагруженность узла принимается КПД ниже среднего − 0,85;

cp=1055,4 – удельная теплоемкость (для средней температуры воздуха в проточной части КВД К);

k=1,3775 – показатель адиабаты воздуха (для средней температуры воздуха в проточной части КВД);

 – коэффициент сохранения полного давления в направляющем аппарате. Принимается в связи с наличием трения в реальном НА, а следовательно и потерями механической энергии;

– коэффициент сохранения полного давления во входном направляющем аппарате;

 − относительный диаметр втулки на входе в КВД. Данное значение выбрано из следующих соображений:   находится в оптимальном диапазоне (рекомендуемое на входе в КВД ). В нашем случае увеличение  до 5 или 5,5 на входе при высоких оборотах ротора ВД (15389 об/мин) приведет сильному сверхзвуковому обтеканию в первой ступени (следовательно к очень низкому КПД) при данной площади входного сечения. Уменьшение  приведет к уменьшению окружной скорости в ступени, что снизит работу ступени. А так же к уменьшению количества лопаток в ступени, а следовательно снижению густоты решетки в первую очередь на периферии, что дополнительно снизит подвод работы на периферии. Так же лопатки станут относительно более длинными, что усложнит подвод работы на втулке, то есть подвод такой же работы может быть обеспечен при большем повороте потока, а следовательно при сниженных КПД. Таким образом, уменьшение   приведет к существенному падению работы, что невыгодно для  сверхнагруженной первой ступени.

  1.  Расчет параметров потока воздуха и предварительное определение размеров проточной части компрессора
    1.  Определение изоэнтропической работы в компрессоре:

  1.  Определение работы компрессора:

  1.  Определение числа ступеней компрессора:

Задаёмся средней работой ступени выше рекомендуемых 20…45 , чтобы получить как можно меньшее количество ступеней −  и определим число ступеней компрессора

  1.  Распределяем работу по ступеням компрессора:

Первая ступень делается сверхзвуковой сильно нагруженной

,

Рис. 2. Распределение работ по ступеням

«Традиционное» распределение работ с уменьшением работ в первых и последних ступенях здесь невыгодно, потому что в уже нагруженном узле это приведет к еще большей нагрузке средних ступеней и следовательно приведет к дополнительному снижению их КПД, а значит и узла. Гораздо выгоднее перегрузить первую ступень и сделать её с очень низким КПД, но тем самым разгрузить остальные ступени, что поднимет их КПД. В последних ступенях снижаем работу по тем же соображениям – их сниженного КПД из-за увеличенных относительных радиальных зазоров.

  1.  Зададимся КПД ступеней компрессора:

Таблица 2

Распределение КПД по ступеням

1 ст

2 ст

3 ст

4 ст

5 ст

6 ст

7 ст

8 ст

0,825

0,86

0,886

0,895

0,905

0,9

0,89

0,888

Рис. 3. Распределение КПД по ступеням

Очень низкий КПД первой ступени объясняется тем, что в ступени подводится удельная работа 90706,5 кДж/кг. Такое большое значение удельной работы гарантирует немалые сверхзвуковые скорости обтекания этой ступени.

  1.  Определение температуры торможения на выходе из ступеней:

  1.  Степень повышения давления в ступени:

1,921.

Условие  не выполняется.

  1.  Коррекция степеней повышения давления ступеней:

Определение величины расхождения:

Вносится поправка   во всех ступенях.

где  первоначально вычисленное значение

  1.  По скорректированным значениям определяется полное давление воздуха на выходе из ступеней:

  1.  Определим полное давление на выходе из рабочего колеса ступени:

Рис. 4. Распределение полного давления в проточной части

  1.  По скорректированным значениям корректируется работа по ступеням компрессора:

  1.  По скорректированным значениям  производится корректировка температуры торможения:

  1.  Производится распределение осевых скоростей на входе в ступени компрессора:

Таблица 3

Распределение осевых скоростей по ступеням

вх

1 ст

2 ст

3 ст

4 ст

5 ст

6 ст

7 ст

8 ст

к

м/c

161,6

189,1

240

239

238

226

211

196

181

166

Рис. 5. Распределение осевой скорости в проточной части

Обоснование для данного распределения осевой скорости эмпирическая зависимость   из которой видно, что при заданной густоте решетки с уменьшением осевой составляющей идет уменьшение относительной закрутки в ступени, а следовательно и уменьшение работы ступени. Поэтому, увеличивая осевую скорость в первых ступенях, увеличивается их нагруженность, а в последних ступенях уменьшаем осевую скорость, чтобы уменьшить подвод работы. Таким образом, данное распределение осевых скоростей основывается на распределении работ по ступеням. Изменение осевой скорости в первых ступенях более 20 м/с, что находится выше оптимальных значений и говорит о высокой нагруженности ступеней, в остальных ступенях изменение осевой скорости в ступени , что находится в оптимальных значениях, а в первых ступенях изменение осевой скорости и говорит о высокой нагруженности ступеней. Дальнейшее увеличение  приведет к недопустимому увеличению диффузорности межлопаточных каналов, что приведет к существенному снижению КПД ступеней. Осевая скорость на выходе из КВД входит в диапазон осевых скоростей устойчивой работы камеры сгорания – 120 – 180 м/c.  

  1.  Предварительно назначаем углы  по ступеням:

Таблица 4

Распределение  по ступеням

вх

1 ст

2 ст

3 ст

4 ст

5 ст

6 ст

7 ст

8 ст

к

град

90

70

70

70

70

70

70

70

70

90

Углы на входе и на выходе из КВД назначаем осевыми. На входе назначаем , исключая вращение потока в канале между КНД и КВД, так как вращение потока приводит к увеличенным потерям. На выходе необходимо обеспечить осевой выход ещё из условия нормальной работы камеры сгорания (факел должен иметь осевое направление). В ступенях назначаем   В расчете кинематических параметров ступеней по среднему радиусу эти углы уточняются, и в предварительный расчет вносятся коррективы. Результаты итерационного уточнения газовых углов представлены в таблице Е.1, приложения Е.

 Из данных углов следует отметить  угол на входе в первую ступень 6 , что говорит об положительной предварительной закрутке (закрутка по вращению) осуществляемой ВНА на входе в первую ступень.

  1.  Определение приведенной скорости на входе в ступени:

  1.  Находятся газодинамические функции расхода на входе в ступени:

  1.  Определяются площади сечений  проточной части компрессора:

  1.  Определяются диаметральные размеры на входе в ВНА:

.

  1.  Находится наружный диаметр в ступенях:

.

Принимается форма проточной части с убывающим наружным диаметром  от ВНА к последней ступени с такими , чтобы получить проточную часть близкую к проточной части с постоянным средним диаметром (см. введение).

  1.  Находится втулочный диаметр по ступеням:

  1.  Определяется средний диаметр в ступенях:

  1.  Находится высота лопаток:

  1.  Производится проверка параметра :

Слишком высокие значения параметра начиная с 5 ступени говорит о слишком коротких лопатках в этих ступенях, а следовательно и низкий их КПД. Возможной мерой было бы опустить в этих ступенях проточную часть , что увеличило бы их КПД. Но в этом случае упала бы их работа, а следовательно пришлось бы увеличить количество ступеней КВД, что невыгодно. Поэтому менять её не будем. Но при этом обязательным пунктом будет применение системы активного управления радиальными зазорами в этих ступенях, которая исключит рост радиальных зазоров во время работы, а следовательно к еще большему падению КПД.

  1.  Назначается ширина рабочих лопаток:

1 ступень

Задаётся параметр

Ширина лопаток зависит от величины подводимой работы и величины действующих центробежных нагрузок. Так как длина лопатки от первой ступени к последней убывает, следовательно убывают и центробежные силы действующие на них, поэтому ширину лопаток можно уменьшить. Второй фактор влияющий на ширину лопаток это работа. При увеличении работы нужно увеличивать ширину лопаток, с целью уменьшить диффузорность канала (угол раскрытия канала). В диффузорах нельзя превышать угол раскрытия канала  во избежание отрывных явлений. К тому же увеличение ширины лопаток дает возможность увеличения других геометрических параметров лопатки (толщины), что увеличивает сопротивление лопатки увеличенным изгибающим моментам от больших работ. Так как работа в первой ступени очень большая и соответствующая ей большая закрутка, говорит о большом угле поворота в канале решетки РК, следовательно о большой диффузорности канала, которую необходимо уменьшить до оптимальных размеров путем существенного увеличения ширины лопатки. Далее к выходу из КВД работа в ступенях падает, соответственно уменьшается и ширина лопаток. Из этих соображений  падает от средних ступеней к последним, то есть ширина убывает быстрее, чем длина, так как на уменьшение ширины влияет не только уменьшение длины лопатки, но и уменьшение работы ступеней к выходу из  КВД.

  1.  Назначается ширина направляющих лопаток:

ВНА:

Ширина направляющих аппаратов берется меньше ширины рабочих лопаток, так как на них не действуют центробежные нагрузки. А ширина НА за последней ступенью берется гораздо больше, так как он выполняет функцию спрямляющего аппарата (поворачивает поток до осевого направления) и углы поворота в нем гораздо выше, чем в обычных НА, следовательно необходимо увеличивать ширину для обеспечения оптимальной диффузорности каналов решетки, а так же для увеличения сопротивления лопаток газодинамическим силам.

  1.  Назначается величина осевых зазоров:

Осевой зазор после ВНА:

Осевой зазор после рабочей лопатки первой ступени:

Осевой зазор после НА первой ступени:

Осевой зазор назначается с целью удалить ряд лопаток НА от зоны потока с неравномерным полем давлений и скоростей следующей сразу за стоящим перед ним рядом лопаток РК и тем самым уменьшить действие переменных нагрузок вызывающих вибрацию лопаток НА. Рекомендуемая величина  примерно на таком расстоянии поток перемешивается и стает более равномерным.

  1.  Назначается величина радиальных зазоров:

Рис. 6. Распределение радиальных зазоров по ступеням

Рис. 7. Распределение относительных радиальных зазоров по ступеням

Анализируя эти графики, можно сказать, первая ступень имеет наибольший радиальный зазор, т.к. рабочая лопатка первой ступени массивная, широкохордная, имеет большую высоту по сравнению с остальными ступенями. Далее со второй по четвертую ступени радиальные зазоры уменьшаются, т.к. уменьшается длина лопаток, в связи с этим растет КПД ступеней. Начиная с 4 ступени радиальные зазоры начинают существенно увеличиваться, для обеспечения теплового расширения ротора и статора, т.к. температура от входа к выходу КВД возрастает. В седьмой и восьмой ступени радиальные зазоры несколько снижены, за счет более жесткой конструкции корпусной детали. Также можно сказать, что несколько завышенные значения радиальных зазоров необходимы из-за высоких оборотов ротора КВД (15389об/мин). Необходимо предусмотреть  систему активного управления радиальными зазорами начиная с 5 ступени.

  1.  Определяется частота вращения ротора компрессора в единицах измерения :

  1.  Определим параметр , который оценивает напряжения растяжения в рабочих лопатках:

В компрессоре допустимы значения   - , из этого можно сделать вывод, что рабочие лопатки всех ступеней выдерживают данные напряжения растяжения.

  1.  Расчет кинематических параметров на среднем радиусе ступеней
    1.  Параметры на входе в рабочее колесо:
      1.  Окружная скорость на среднем радиусе:

  1.  Коэффициент теоретического напора в ступени:

  1.  Назначение степени реактивности ступеней на среднем радиусе:

  1.  Предварительная закрутка потока на входе в рабочее колесо:

.

  1.  Угол потока в абсолютном движении на входе в РК:

После определения данного угла для всех ступеней осуществляется подстановка данных углов вместо предварительно назначенных (пункт 1.5.3.14.) и весь расчет повторяется до тех пор, пока , где  предварительно назначенный угол (пункт 1.5.3.14.), – вычисленный (пункт 2.1.5.). Значения углов в результате итерационных вычислений приведены в таблице Е.1, приложения Е.

  1.  Окружная составляющая относительной скорости :

  1.  Угол потока в относительном движении на входе в РК:

  1.  Приведенная скорость в относительном движении на входе в РК:

Температура торможения в относительном движении по ступеням:

Критическая скорость в относительном движении на входе в РК:

Приведенная скорость в относительном движении на входе в РК:

Первая ступень сверхзвуковая, вторая и третья ступень - трансзвуковые.

  1.  Параметры на выходе из РК:
    1.  Окружная скорость на среднем радиусе:

Средний диаметр на выходе из РК

  1.  Закрутка потока на выходе из РК:

  1.  Осевая составляющая абсолютной скорости на выходе из РК:

  1.  Окружная составляющая относительной скорости на выходе из РК:

  1.  Угол выхода потока из РК:

  1.  Угол входа потока в НА:
    1.  Угол входа потока в НА:

Температуры на выходе из РК:

Приведённая скорость на входе в НА:

НА первых трёх ступеней – трансзвуковые.

  1.  Угол поворота потока в лопатках РК:

Угол поворота потока в первой ступени  ,что выше рекомендуемых , по этой причине в канале РК первой ступени возможны отрывы потока, что снижает запас газодинамической устойчивости ступени и узла в целом. У второй и третьей ступени на втулочном диаметре тоже возможны высокие значения угла поворота, особенно у второй, так как лопатки этих ступеней еще достаточно длинные. С этой целью необходимо предусмотреть меры по увеличению запаса газодинамической устойчивости. А именно ввести поворотные лопатки НА первых двух ступеней и ВНА.                                                                            

  1.  Угол поворота потока в лопатках НА:

Угол выхода потока из НА ступени

Угол поворота потока в НА по ступеням:

  1.  Статическое давление на входе и выходе из РК:

Определяется статическая температура на входе в РК:

Определяется статическая температура на выходе из РК

Определяется статическое давление на входе в РК

Определяется статическое давление на выходе из РК:

Расчеты представлены для первой ступени КВД, остальные результаты расчетов сведены в таблицу Е.1, приложения Е.

  1.  Выводы по результатам газодинамического расчета.

В результате газодинамического расчета определены параметры КВД ТРДД с тягой 140 кН. КВД восьмиступенчатый со сверхзвуковой первой ступенью и степенью повышения полного давления 16,84. Расход через КВД 53,32 кг/с. Частота вращения ротора КВД 15387 об/мин. Анализ значений параметра  показывает большую нагруженность центробежными силами рабочих лопаток первой ступени, поэтому необходимо применить более высокопрочные материалы для лопаток и диска этой ступени, с учетом рабочей температуры лопаток первой ступени ,например титановый сплав ВТ8-1. Остальные ступени имеют достаточный запас по этому параметру. Анализ значений параметра  показывает, что последние 4 ступени имеют очень короткие лопатки (половина всех ступеней), что снижает КПД узла. Уменьшение этого параметра в последних ступенях не так выгодно, потому что приводит с одной стороны к увеличению длины их лопаток, следовательно, и КПД. Но с другой стороны увеличение этого параметра приводит к снижению работы этих ступеней (), что увеличит количество ступеней узла и снизит поднявшийся КПД засчет увеличения суммарной поверхности трения. Так как лопатки этих ступеней короткие необходимо предусмотреть систему активного управления радиальными зазорами, что поднимет КПД ступеней во время работы. Форму проточной части принимаем близкую к . Конечно применение проточной части с  привело к ещё большему уменьшению количества ступеней, но с  в последних ступенях уже при   это приведет очень низкой экономичности узла.                                                                                                                               

Так как узел получился очень нагруженный особенно первые ступени, где углы поворота в лопатках РК и НА свыше , а в первой ступени выше допустимого -  возможны отрывы потока со спинок лопаток и следовательно низкий запас газодинамической устойчивости. Для повышения ГДУ необходимо сделать поворотными НА первых 2 ступеней, в том числе и ВНА. Так же возможными мерами могут быть увеличение густоты решетки первых ступеней (но возможно снижение их КПД).

Так же по результатам проектирования можно сказать, что узел  получился сильно нагруженным, что снизило количество ступеней и как следствие привело к уменьшению массы и осевых размеров. Высокая нагруженность первой ступени привела к разгрузке следующих за ней ступеней и подняла их КПД;

На основе полученных геометрических параметров в газодинамическом расчете КВД далее необходимо разработать конструкцию узла, а так же произвести прочностной расчет рабочей лопатки 2-й ступени, промежуточного диска и крепления направляющего  аппарата 1-й ступени.


  1.  СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
  2.  Проработка конструкции КВД

В рамках дипломного проекта разрабатывается конструкция КВД с гладкой проточной частью, т.е. наружные поверхности промежуточных колец и дисков образуют в меридиальном сечении плавные линии без уступов.

  1.  Проработка конструкции статора КВД
    1.  Проработка конструкции наружных корпусов

Корпус КВД  может быть выполнен цельным или состоять из отдельных частей с фланцевыми соединениями в горизонтальной и вертикальной плоскости. В данном случае на входе в КВД расположен цельный корпус ВНА. Корпус ВНА соединен болтовым соединением с рабочим кольцом 1-й ступени и корпусом НА 1…3 ступеней, между собой корпуса центрируются по цилиндрическим посадкам. Рабочее кольцо 1-й ступени без разъемов. Корпус НА 1…3 ступеней имеет разъем в горизонтальном сечении для удобства сборки ротора со статором. К корпусу НА 1...3 ступеней болтовым соединением прикрепляется задний корпус КВД, центрирование корпусов выполняется по цилиндрической посадке. Задний корпус КВД состоит: рабочее кольцо 4-й ступени, внутренний корпус НА 4…6 ступеней, рабочее кольцо 7-й ступени, корпус НА 7,8 ступеней, наружный корпус. Корпуса соединены друг с другом болтовым соединением, центрирование выполнено по цилиндрической посадке. К внутреннему корпусу 4…6 ступеней крепятся винтовым соединением кольца НА 4…6 ступеней и с помощью Г-образных выступов рабочие кольца 5,6 ступеней. Между рабочим кольцом 7-й ступени и внутренним корпусом НА 7,8 ступеней расположен сектор НА 7-й ступени. Такое деление корпусов обусловлено необходимостью отборов воздуха из разных ступеней. Данная конструкция позволяет уменьшить массу статора, а также уменьшить радиальные зазоры, что приводит к увеличению КПД узла. Так же в заднем корпусе КВД предусмотрена система активного управления радиальными зазорами. Система осуществляет обдув внутренних корпусов НА 4…6 ступеней и отдельно обдув внутренних корпуса НА 7 и 8 ступени.

В корпусах, над рабочими лопатками 1…8 ступеней нанесено истираемое покрытие, позволяющее мимнимизировать рабочие радиальные зазоры и исключить возможность титанового пожара.

  1.  Основные силы, действующие на статор компрессора

Статор подвержен воздействию внутреннего давления, крутящих моментов  и осевых сил, действующих на направляющие аппараты, реакций в опорах подшипников. Схема нагружения статора представлена на рис. 8. Эпюры крутящих моментов показаны на рис. 9.

Рис. 8. Схема усилий, действующих на статор

Mu1..Mu2 – крутящие моменты; Pa1..Pa2осевые силы, действующие на лопатки; pг – давление газа; MRc – моменты, действующие со стороны соседних корпусов; Rса – осевая сила, действующая на корпус КВД во фланцевых соединениях;Rрr, Rрa – реакции со стороны статора в опоре.

Рис. 9. Эпюры крутящих моментов статора КВД

  1.  Проработка конструкции НА КВД

Основными элементами направляющей лопатки являются верхняя, нижняя полки, профильная часть, хвостовик. Для улучшения технологичности лопатки могут быть изготовлены блоками по несколько штук, но при этом при повреждении одной лопатки приходит в негодность весь блок. Лопатки могут быть закреплены консольно, или двухопорно. В основном на зарубежных двигателях делают НА первых ступеней двухопорными. Например на двигателе PW-1000 (США), RB-282 (Великобритания) см.приложения Б, В, также на таких двигателях как CFM56-7B (Франция), ПС-90А(А2) (Россия) и других . Это делается из следующих соображений. НА первых ступеней обычно подвержены повышенной вибрации, так как первая ступень делается в основном сверхзвуковой, и наличие скачков уплотнения в РК первой ступени оказывает влияние на лопатки НА этой же ступени. А двухопорная схема крепления НА обеспечивает более жесткое крепление лопаток.

Основной недостаток двухопорного крепления лопаток НА это потери, связанные с утечкой воздуха через лабиринтные уплотнения крепления НА, а также потери, связанные с формой проточной части. Поэтому для разрабатываемого узла принимаем гладкую проточную часть, и следовательно консольное крепление лопаток НА 1-й ступени КВД. Недостатком является меньшая жесткость лопаток, а также трудность в минимизации зазоров между лопаткой и ротором. НА остальных ступеней крепятся консольно, так как лопатки этих ступеней достаточно короткие и нет необходимости утяжелять конструкцию двухопорной схемой.

Для обеспечения устойчивой работы КВД во все диапазоне эксплуатационных режимов и снижения вибронапряжений лопатки ВНА и НА 1 и 2 ступеней выполнены поворотными. Поворот лопаток осуществляется по заданной программе системой управления механизацией КВД. ВНА выполнен по двухопорной схеме, так как лопатки поворотные и достаточно длинные. СА 8-й ступени разворачивает закрученный лопатками рабочего колеса 8-й ступени воздух до осевого направления перед его поступлением в камеру сгорания. СА 8-й ступени двухопорный, с расширяющимся каналом от выходной кромки, закреплен на корпусе камеры сгорания. СА выполнен по двухопорной схеме, потому что на него действуют достаточно высокие газодинамические нагрузки из-за больших углов поворота в нём. С помощью хвостовика лопатки ВНА, НА первой и второй ступени закрепляются в отверстия в корпусе и обеспечивается возможность их поворота. Далее на лопатках закреплены рычаги, через которые осуществляется поворот лопаток. Рычаги лопаток НА скреплены между собой поводковыми кольцами. Управление кольцами производится от гидроцилиндра через систему механизации КВД. Лопатки НА 3 и 7 ступеней крепятся в корпусе с помощью Г-образных выступов. Обеспечивается фиксация в осевом и радиальном направлениях. Лопатки НА 3 ступени крепятся Г-образными выступами в корпусе НА 1…3 ступеней. Лопатки НА 4…6 ступеней крепятся контровочным замком в кольцах НА 4…6 ступеней. Кольца, в свою очередь, соединены Г-образными выступами с рабочим кольцом 4-й ступени, рабочим кольцом 5-й ступени, рабочим кольцом 6-й ступени и винтовыми соединениями крепятся к внутреннему корпусу НА 4…6 ступеней. Лопатки НА 7-й объединены в сектора, а сами сектора крепятся с помощью Г-образных выступов между рабочим кольцом 7-й ступени и внутренним корпусом НА 7…8 ступеней.

  1.  Система уплотнений газовоздушного тракта

Утечки воздуха через различные зазоры значительно снижает КПД компрессора, а следовательно приводит к увеличению удельного расхода топлива двигателя. За 8 ступенью КВД можно предусмотреть лабиринтное уплотнение с целью создания разгрузочной полости и уменьшения осевой нагрузки на переднюю опору КВД. В лабиринтном уплотнении необходимо предусмотреть мягкий срабатываемый материал для возможности уменьшения зазора между гребешками и статором. Так же гребешки находятся на разной высоте для создания поворота потока в лабиринтном уплотнении, что дополнительно повышает его эффективность.

Кроме лабиринтных уплотнений в конструкции можно применить контактные уплотнения. Например, щеточные уплотнения состоят из пучков проволоки твердого сплава, так как все контактные уплотнения работают при трении. При данном уплотнении зазор получается гораздо меньше, чем при лабиринтном, но повышенный износ, высокие температуры в зоне контакта делают ресурс данного уплотнения достаточно не высоким. В разрабатываемом узле принимаем щеточное уплотнение за 8 ступенью КВД, как более эффективное.

  1.  Уплотнение масляных полостей

В КВД имеется одна масляная полость – передней опоры. Данная масляная полость также может объединять и опоры ротора КНД (как на двигателе прототипе). Уплотнение масляных полостей необходимо для исключения попадания масла в проточную часть и внутренние полости ротора. Для уплотнения масляной полости используется комплексный метод. В нашем узле принимаем, что полость уплотняется двумя лабиринтными уплотнениями, между которыми подается воздух более высокого давления отбираемый за 1 ступенью в КВД.

  1.  Разработка системы отборов и перепуска воздуха

Отбор воздуха в КВД необходим для нужд самолета (наддув и кондиционирование салона), для охлаждения ТВД и ТНД, а так же отбор воздуха необходим для устойчивой работы самого узла на режимах запуска.

За направляющими лопатками НА 3 ступени предусмотрен отбор воздуха в виде кольцевой щели, образованной фланцем корпуса переднего и рабочим кольцом 4 ступени, на двигательные (охлаждение деталей ТНД, переходного канала и стоек ТВД) и самолетные нужды (система кондиционирования самолета и противообледенительная система).  

За рабочим колесом 5 ступени предусмотрен отбор воздуха в ротор через систему отверстий в диске 6 ступени и систему труб на двигательные нужды (охлаждение  2 рабочей лопатки ТВД и ротора).

За направляющими лопатками НА 6 ступени предусмотрен отбор воздуха на двигательные нужды (охлаждение корпуса второго рабочего колеса ТВД, охлаждение второго соплового аппарата ТВД), выполненный в виде кольцевой щели, образованной фланцем корпуса перепуска и отборов и рабочим кольцом 7 ступени.

Также отбор воздуха предусмотрен из-за КВД на охлаждение 1 соплового аппарата ТВД, 1 рабочего колеса ТВД, рабочих лопаток 1-й ступени ТВД, и охлаждения корпуса ТВД.

Схема отборов воздуха представлена на рис. 10.

Рис. 10. Схема отборов воздуха

  1.  Проработка конструкции ротора

Ротор КВД барабанно дискового типа с шариковым подшипником на передней опоре и роликовым на задней (расположен за ТВД). Для снижения уровня виброперегрузок корпусов КВД опора шарикоподшипника выполнена УДО. Второй опорой является УДО за ТВД. Таким образом ротор имеет межопорное расположение, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной.

  1.  Соединение дисков 

В барабанно-дисковых роторах используются следующие виды соединения секций дисков между собой:

1) Соединение с натягом и фиксацией радиальными штифтами

Преимущество: высокая жесткость конструкции

Недостаток: сложная сборка, разборка невозможна.

2) Соединение дисков призонными болтами

Преимущества: возможность разборки, большая поперечная жесткость.

Недостатки: сложность сборки и контроля.

3) Соединение дисков торцевыми треугольными шлицами и стягивание болтом

Преимущество: высокая жесткость, сопротивление изгибу.

Недостатки: сравнительно высокая масса, большие напряжения при стягивании.

4) Соединение дисков сваркой

Преимущество: меньшая масса ротора.

Недостаток: меньшая прочность соединения, низкая ремонтнопригодность.

Для ротора разрабатываемого КВД применяем соединение дисков между собой призонными болтами с целью возможности последующих разборок. Кроме этого соединение дисков 2,3,4 ступеней между собой осуществляется с помощью сварки, для частичного снижения массы узла. Таким образом, рабочее колесо 1-й ступени соединено с помощью болтового соединения со сварной титановой секцией 2,3,4 ступеней. Секция рабочих колес 2,3,4 ступеней соединена с титановым диском 5-й ступени при помощи болтового соединения. К данному болтовому соединению крепится диск 6-й ступени. Далее диск 6-й ступени соединен болтовым соединением с объединенным диском 7,8 ступеней. Диск 7,8 ступеней скреплен болтовым соединением с дефлектором и валом КВД. Диски 6…8 ступеней, а также дефлектор и вал КВД выполнены из жаропрочного железоникелевого сплава.

Кроме того к диску 1-й ступени крепится цапфа КВД. Через цапфу осуществляется передача усилия на шарикоподшипник от ротора.

  1.  Соединение лопаток с дисками

Замок типа «ласточкин хвост» является наиболее технологичным, но имеет большие окружные размеры по сравнению с ёлочным замком. Ёлочный замок обладает высокой несущей способностью, имеет меньшие окружные размеры, однако он сложнее в изготовлении. Для данного узла диски первых двух ступеней выполняются заодно с лопатками (моноколеса), что позволяет избавиться от дополнительных напряжений в соединении дисков с лопатками (натяг в замке), крепёжный деталей и осевой фиксации лопаток. Кроме того моноколёса легче сборной конструкции из-за того, что нет необходимости обеспечивать более широкий обод для замкового соединения. Недостатки применения моноколес: сложная и дорогая технология, сложность ремонта, низкий КИМ, повышенный риск возникновения вибраций из-за исчезновения демпфирования колебаний в замке. В дисках 3-8 ступени соединение лопаток с дисками осуществляется замком типа «ласточкин хвост» в кольцевых пазах диска, который обычно применяется в случае барабанного и баранно-дискового типа ротора. Преимущества кольцевого замка, то что лопатка фиксируется в осевом направлении. Рабочие лопатки 7 и 8 ступеней расположены на одном ободе диска. Моноколеса 1…2 ступеней, рабочие лопатки 3,4 ступеней выполнены из титанового сплава, для лопаток 5…8 ступеней применяется железоникелевый сплав.

  1.  Основные усилия, действующие на ротор КВД

На каждую лопатку действуют: газодинамическая осевая сила, направленная в сторону входа в двигатель и крутящий момент. Кроме этого элементы ротора подвержены действию растягивающих центробежных сил. Также ротор нагружен силами давления в разгрузочных полостях. Вал подвержен действию осевых сил и крутящих моментов со стороны турбины, на подшипники действуют реакции со стороны опор. На все элементы действуют инерционные силы и гироскопические моменты. Схема нагружения ротора представлена на рис. 11. Эпюры крутящих моментов показаны на рис. 12.

Рис. 11. Схема нагружения ротора:

Pa1..Pa2осевые силы, действующие на лопатки; Mu1..Mu2 – моменты, действующие на лопатки; Pц. л.1..Pц. л.2 – центробежные силы, действующие на лопатки; Pц. д.1..Pц. д.2 – центробежные силы, действующие на диски; Pт –осевая сила действующая со стороны турбины; Mт – момент, действующий со стороны вала КВД; Ror – радиальная составляющая силы, действующей со стороны опоры; Roa –осевая составляющая силы, действующей со стороны опоры; pг – разность давлений газа в разгрузочных полостях.

Особенностью данной конструкции ротора является малые газовые силы действующие в разгрузочной полости за компрессором, что снижает осевую нагрузку на шариковый подшипник.

Рис. 12. Эпюры крутящих моментов ротора КВД

Подробная конструкция КВД показана на рис. Ж.1, приложения Ж.

  1.  Расчет на статическую прочность рабочей лопатки 2-й ступени КВД
    1.  Методика расчета лопатки на статическую прочность

Методика расчета приведена на основании данных [3].

Рис.11. К расчету напряжений растяжения от центробежных сил

Действующая на элемент центробежная сила равна:

В рамках стержневой модели напряжения растяжения распределены в поперечных сечениях пера лопатки равномерно:

;

На Рис. 12. Усилия, действующие на элемент рабочей лопатки компрессора. Изображены усилия, действующие на элемент рабочей лопатки компрессора при обтекании ее потоком газа. Применяя теорему о количестве движения для движущейся среды, получим выражения для интенсивности осевой и окружной нагрузок:

,

где  Gг – секундный расход газа; p1, p2 – давление газа перед и за лопаткой; С, С – осевые составляющие скорости; С, С – окружные составляющие скорости; Z – число лопаток.

Рис. 12. Усилия, действующие на элемент рабочей лопатки компрессора.

Изгибающие моменты определяются интегрированием:

   

Для минимизации нагрузки при проектировании лопатки делаются выносы центров тяжести. Выносы делаются как в осевом, так и в окружном направлении.

Рис. 13. Схема для определения моментов от центробежных сил.

На элемент действует центробежная сила dPц , равная:

В плоскости вращения roy изгибающий момент дают составляющие силы dРц на оси r и у, которые можно определить, полагая малым угол  между осью r и направлением действия dРц

Тогда изгибающие моменты от центробежных сил Mцх и Mцу, действующие в сечении на радиусе R, определяются следующим образом:

Напряжения изгиба от центробежных сил иц определяются по тем же зависимостям, что и от газодинамических сил

В соответствии с принятым для приближенных расчетов принципом суперпозиции суммарные напряжения представляют собой сумму напряжений растяжения, изгиба от центробежных сил и изгиба от газодинамических сил:

Эти напряжения определяют для характерных точек профиля  А, В и С в нескольких сечениях по высоте лопатки.

Критерием статической прочности лопаток служит величина запаса прочности, который определяется как отношение предельного напряжения пред  к  наибольшему суммарному:

  1.  Определение газодинамических сил, действующих на лопатку

Согласно результатам газодинамического расчета:

Rп=0,2795м; Rк=0,221 м; Rср=0,250 м;

p1=290524,27Па; p2=372436,2Па;

С1u=-104,24м/с; С2u=-302,54м/с; С1a=240м/с; С2a=239,5м/с;

Gв=53,32кг/с; z=37.

Треугольники скоростей на среднем диаметре представлены на рис. 14.

Рис. 14. Треугольники скоростей

Согласно п.2.1.2. газодинамические силы, действующие на лопатку:

Н/м;

 

Н/м.

  1.  Определение геометрических параметров лопатки

Профилирование рабочей лопатки по трем сечениям (периферийном, среднем и корневом) приведено в Приложении З.

Геометрические параметры в трех сечениях, полученные в ходе газодинамического расчета, представлены в таблице 5, графики распределения этих параметров приведены на рис. И.1, И.2, И.3, И.4, приложения И.

Таблица 5

Геометрические параметры профиля

Положение сечения

Радиус расположения R, мм

Сmax, мм

h, мм

b, мм

β, °

периферийное

279,5

1,85

3,667

57,93

46,38

среднее

250

2,65

4,958

56,42

40,92

корневое

221

3,78

4,77

57

40,58

Параметры профиля в пяти равномерно расположенных сечениях определяются графическим методом, результаты приведены в таблице 6. Схема расположения сечений приведена на рис.15.

Таблица 6

Геометрические параметры профиля в пяти сечениях

Номер сечения

Радиус расположения R, мм

Сmax, мм

h, мм

b, мм

β, °

5

279,5

1,85

3,667

57,93

46,38

4

264,875

2,19

4,33

57,09

43,57

3

250,25

2,57

4,9

56,47

41,18

2

235,625

3,14

4,97

56,54

40,48

1

221

3,78

4,77

57

40,58

Рис. 15. Схема расположения сечений лопатки

  1.  Выбор материала лопатки

Определим температуру лопатки с учетом теплоотвода в диск.

К.

Исходя из температуры лопатки, необходимо выбрать титановый сплав: ВТ3-1, ВТ8, ВТ6, ВТ18У и т.д. Выбираем чаще всего применяемый сплав ВТ8.

Таблица 7

Характеристики сплава ВТ8 и условия работы лопатки

Обозначение

Единицы измерения

Величина

Рабочая температура

Tл

К

493,81

Плотность

ρ

кг/м3

4480

Модуль упругости

E

МПа

1,1*105

Предел длительной прочности

σв

МПа

1005

  1.  Расчет напряжений в лопатке

Расчет производится для частоты вращения 15389 об/мин на максимальном взлетном  режиме согласно методике, изложенной в п. 2.2.1.

Первоначально определяются напряжения без выноса центра тяжести, результаты представлены в таблице 8, графики распределения напряжений по высоте лопатки представлены на рис. 16.

Таблица 8

Напряжения в лопатке без выноса центра тяжести.

№ сечения

Ri, м

Pц, Н

σр, МПа

σигА, МПА

σигВ, МПа

σицА, МПа

σицВ МПа

σΣА, МПа

σΣВ, МПа

1

221

17868,13

118,472

116,24

-97,312

0

0

234,746

21,19

2

235,625

12542,38

100,924

88,63

-64,828

0

0

189,581

36,123

3

250,25

7889,347

77,659

53,571

-35,403

0

0

131,251

42,277

4

264,875

3755,215

42,907

17,77

-11,527

0

0

60,692

31,392

5

279,5

0

0

0

0

0

0

0

0

Масса пера лопатки, кг m=0,028

Рис. 16. Распределение напряжений по высоте лопатки

Из графика распределения напряжений видно, что напряжения возрастают от периферии к корню лопатки, наиболее нагруженной является точка А.

Таблица 9

Коэффициенты запаса статической прочности

№ сечения

Ri, мм

K

1

221

4,28

2

235,625

5,30

3

250,25

7,66

4

264,875

16,56

5

279,5

Рис. 17. Изменение запаса статической прочности по радиусу

  1.  Оценка работоспособности лопатки по условиям прочности

В данном расчете значение коэффициента запаса в корневом сечении составляет К=4,28. Значение коэффициента запаса статической прочности  значительно выше минимально допустимого значения 2,1. Следовательно, нет необходимости производить вынос центров тяжести лопатки.

Расчет позволил нам оценить напряжения в характерных точках пера лопатки. Так видно, что на входной кромке (точка А) изгибными напряжениями вызывается растяжение волокон, а на спинке (точка Б) сжатие волокон. Причем при совместном действии изгибающих напряжений и напряжений растяжения от центробежных сил на спинке происходит частичная компенсация напряжений изгиба, а на входной кромке суммарные напряжения получаются максимальными. Наиболее нагруженной является точка А, напряжения в точке А достигают своего максимального значения в корневом сечении лопатки σΣА=234,746МПа. Лопатка удовлетворяет условиям прочности и корректировки её геометрии не требуется.

  1.  Расчет на статическую прочность промежуточного диска КВД
    1.  Методика расчета диска по разрушающим оборотам

Методика расчета приведена на основании данных [3].

Показателем несущей способности дисков является коэффициент запаса по разрушающей частоте вращения: , где  разр - разрушающая частота вращения, при достижении которой происходит разрушение диска;   - максимальная рабочая частота вращения диска.

Обычно рассматривают два случая разрушения диска: по меридиональному и цилиндрическому сечениям.

Рис. 18. К расчету коэффициента запаса .

Индекс 1 в обозначении Kb1 здесь означает, что коэффициент запаса по разрушающей частоте вращения определен для случая разрушения по меридиональной поверхности.

Интеграл, входящий в знаменатель подкоренного выражения, есть геометрический момент инерции половины полного меридионального сечения диска относительно оси вращения:

.

Рис. 19. К расчету коэффициента запаса

Индекс 2 в обозначении Kb2 здесь означает, что коэффициент запаса по разрушающей частоте вращения определен для случая разрушения по цилиндрической поверхности. Для различных радиусов цилиндрических сечений значения этого коэффициента различны. Для оценки несущей способности диска необходимо найти наименьшее значение.

В формулу может быть внесена поправка, учитывающая уменьшение площади цилиндрического сечения, где расположены отверстия:

, где

Z0 – число отверстий, d – их диаметр,

R0 – радиус цилиндрического сечения, в котором расположены отверстия.

Значение коэффициента запаса по разрушающей частоте вращения Kb1  должно быть не менее 1,4 … 1,6 , Kb2  - не менее 1,35…1,6.

Следует отметить, что в коэффициентах запаса по разрушающей частоте вращения не учитываются температурные напряжения; влияние нагрева учитывается только через зависимость предела длительной прочности  материала от температуры. Не учитываются и напряжения, связанные с изгибом диска. Поэтому оценка прочности диска по критерию несущей способности используется главным образом как предварительная.

  1.  Выбор расчётного режима по частоте вращения

В качестве расчетного режима принимаем максимальный режим, так как на нем наибольшие напряжения в теле диска =15389 об/мин

  1.  Температурный режим работы диска

Промежуточный диск имеет не постоянное по радиусу распределение температур. Принимаем допущение: промежуточный диск имеет линейное распределение температуры по радиусу от максимальной температуры на ободе 423 K, до минимальной температуры на ступице 323 K.

,

где - радиус наружной поверхности диска, - радиус центрального отверстия ступицы диска.

Распределение температуры по радиусу приведено в таблице 10.

Таблица 10

Распределение температуры по радиусу

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Ri,мм

92

107

120.6

144.5

157.5

157.5

170.36

200

214

214

218,8

T, К

323

334,8

345,6

364,4

374,7

374,7

384,8

408,2

419,2

419,2

423

График распределения температуры по радиусу приведен на рисунке 19.

Рис.19. Распределение температуры по радиусу диска.

  1.  Выбор материала диска и обоснование. Основные характеристики материала

При выборе материала для изготовления дисков компрессоров следует исходить из нагруженности диска, его теплового состояния, плотности материала и его прочностных характеристки.

Для дисков компрессоров наибольшее распространение получили титановые сплавы (ВТ3-1, ВТ8, ВТ8М), и коррозионно-стойкие легированные стали (ЭИ961, ЭИ787).

В качестве материала принимаем титановый сплав ВТ8 с плотностью ρ=4480 кг/ м3.

Таблица 11

Сведения о материале и условиях работы диска

Обозначение

Единицы измерения

Величина

Материал диска

ВТ-8

Рабочая температура обода диска

Тоб

К

423

Рабочая температура ступицы диска

Тступ

К

323

Плотность

ρ

кг/м3

4480

Модуль упругости при Тоб

Е

Па

1,15 * 1011

Длительность цикла нагружения

τ

ч

1000

Параметр нагружения

Р

-

7429

Предел длительной прочности

σВ

МПа

1077

  1.  Определение основных размеров диска. Схематизация диска

В качестве прототипа выбираем промежуточный диск двигателя ПД-14. Схематизируем получившийся диск см. рис. К.1, приложение К, убрав фаски, выступы. Далее выбираем 11 характерных сечений. Значения радиусов и толщин в характерных сечениях приведены в таблице 12.

Таблица 12.

Параметры схематизированного диска

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Ri,мм

92

107

120.6

144.5

157.5

157.5

170.36

200

214

214

218,8

b, мм

9

17

6

7

7

15

5

3

28,6

74,6

74,6

σв, Мпа

1077

1069

1061

1047

1039

1039

1032

1015

1006

1006

1003

  1.  Определение контурной нагрузки на наружной поверхности диска

Масса пера лопатки равна нулю, так как это промежуточный диск, не имеющий лопатки.

Радиус центра тяжести «пера лопатки» также равен нулю.

Массу выступа диска, радиус центра тяжести «выступа диска» соответственно также равны нулю.

  1.  Определение распределения предела прочности материала по радиусу диска

Вычислим предел прочности согласно [3]. Из графика [3] подставив значения температуры найдём значения σв в необходимых сечениях диска. Найденные значения σв приведены в таблице 12. График распределения σв по радиусу показан на рис.20.

рис.20 Распределение σв по радиусу диска.

  1.  Расчет коэффициентов запаса статической прочности диска по разрушающей частоте вращения

Таблица 13.

Результаты расчета коэффициентов запаса по радиусу диска

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

92

107

120.6

144.5

157.5

157.5

170.36

200

214

214

218,8

1,635

2,473

1931

1,944

2,13

2,744

2,003

1,861

5,5

8,73

Масса диска m=6,6951 кг

Рис. 21. График изменения коэффициента запаса статической прочности диска по разрушающей частоте вращения

  1.  Оценка работоспособности диска по условию прочности

Самым напряженным местом в диске является ступица диска (в этом месте наблюдается наименьший коэффициент запаса прочности к=1,635).

Статическая прочность диска обеспечена, так как коэффициенты запаса в сечениях превышают минимальное допустимое значение коэффициента запаса прочности для дисков кmin = 1,3.

Корректировка диска не требуется так как он удовлетворяет условиям прочности.

  1.  Расчет рабочей лопатки 2-й ступени КВД на колебания.
    1.  Методика определения низшей собственной частоты колебаний рабочей лопатки

Методика расчета приведена на основании данных [2].

Частоты собственных колебаний лопатки зависят от внутренних сил упругости и сил инерции их собственной массы. Силы инерции, в свою очередь, определяются массой лопатки и распределением этой массы по её длине, т. е. плотностью материала, геометрической формой и размерами лопатки. Силы упругости зависят от жёсткости  системы, т.е. от упругих свойств материала лопатки, от моментов инерции её сечений, от высоты лопатки, от способа её закрепления и характера деформаций. Следовательно, и частота собственных колебаний лопатки, в конечном счете, зависит от её размеров и формы, от плотности и упругих свойств материала, от способа её закрепления, вида и формы колебаний.

Одним из наиболее универсальных методов определения частоты собственных колебаний является энергетический метод (метод Релея). Лопатка рассматривается как консольная балка, жёстко заделанная одним концом. Колебания всех точек лопатки происходят с одной и той же частотой и находятся в одной и той же фазе. Перемещение y любой из точек оси лопатки, совершающей гармонические колебания, выражается так:

, где круговая частота колебаний; y0 амплитуда колебаний; t время.

В каждый момент времени сумма кинетической энергии К и потенциальной энергии П колеблющейся лопатки есть величина постоянная.

Максимальное значение скорости соответствует прохождению лопатки через среднее положение.

Максимальная кинетическая энергия:

,

где плотность материала лопатки, площадь сечения лопатки

Потенциальная энергия изогнутого стержня:

, где M(x) изгибающие моменты, которые создают прогибы  

Уравнение изогнутой линии балки:

, тогда

Из условия равенства максимальных энергий найдем собственную частоту колебаний лопатки:

Связь круговой частоты p(рад/с) и частоты колебаний f(Гц):

  1.  Подготовка исходных данных для определения низшей частоты собственных колебаний

Исходные данные для расчета используются те же самые, что и в пункте 7.5, но вместо радиусов подставляем значения радиальной длины лопатки начиная с корневого сечения см. Таблицу 14.

Таблица 14.

Геометрические параметры профилей лопатки в пяти равномерно расположенных сечениях

№ сечения

R, мм

Cmax, мм

h, мм

b, мм

5

279,5

1,85

3,667

57,93

46,38

4

264,875

2,19

4,33

57,09

43,57

3

250,25

2,57

4,9

56,47

41,18

2

235,625

3,14

4,97

56,54

40,48

1

221

3,78

4,77

57

40,58

Кроме этого требуются данные о материале лопатки и режиме работы:

Таблица 15.

Характеристики материала лопатки для определения низшей собственной частоты колебаний рабочей лопатки

Обозначение

Единицы измерения

Величина

Материал лопатки

ВТ-8

Плотность

ρ

кг/м3

4480

Модуль упругости при Тл =20°С

Е20

Па

  1.  Расчет низшей частоты собственных колебаний лопатки

Расчет собственной частоты колебаний лопатки с помощью программы «STRONG»

– собственная частота изгибных колебаний лопатки.

Далее рассчитаем динамические частоты колебаний по формулам:

, где

, – модули упругости материала при заданной температуре

n – частота вращения ротора (об/с)

– коэффициент динамического ужесточения, где

– средний диаметр лопаточного венца;

– высота  пера лопатки.

Частота вращения ротора на максимальном режиме при

=482 К, на минимальном режиме при =360 К

Характер изменения температуры от частоты вращения ротора представлен на рисунке 22.

Рис. 22. Характер изменения температуры

Далее, для определенной частоты вращения определяем температуру, а затем по графику, модуль упругости Е.

T, К

293

330

360

423

440

Et*1011

1,15

1,14

1,12

1,11

1,1

  1.  Построение резонансной диаграммы

                                                                                                                  Таблица 16.

Результаты определения динамической собственной

частоты колебаний лопатки

n, об/мин

n, об/сек

fД, Гц

1

0

0,0

1488

2

5000

83,3

1495,1

3

9190

153,2

1514,4

4

14000

233,3

1566,9

5

15389

256,5

1581,8

Рис. 23. Изменение собственной частоты колебания лопатки при изменении n

Построение резонансной диаграммы представлено на рис. Л.1, приложения Л.

  1.  Анализ результатов расчета лопатки на колебания

В результате расчета лопатки на колебания были получены значения собственной частоты колебаний лопатки. Гармоники вынуждающих сил не пересекают линию динамических частот в зоне рабочих режимов, то есть вероятность резонанса отсутствует.

  1.  Расчет крепления направляющего аппарата 1-й ступени КВД

Основной внешней нагрузкой, действующих на профильную часть лопаток статора являются газодинамические силы, т.к. лопатка не вращается, то соответственно центробежные силы равны нулю. В некоторых случаях конструкция НА не обеспечивает свободу теплового удлинения лопатки и в профильной части возникают температурные напряжения, но т.к. расчет крепления НА производится по упрощенной методике, то температурными напряжениями пренебрегаем.

  1.  Определение газодинамических сил, действующих на лопатку

Согласно результатам газодинамического расчета:

Rп=0,28456м; Rк=0,21802 м; Rср=0,251 м;

p1= p2(1РК)=217942,56 Па; p2= p1(2РК)=290524,27 Па;

С1u= С2u(1РК)=-296,97 м/с; С2u= С1u(2РК)=-104,24 м/с; С1a= С2a(1РК)=214,55 м/с;

 С2a= С1a(2РК)=240 м/с; Gв=53,32 кг/с; z=42.

Треугольники скоростей на среднем диаметре представлены на рис. 24.

Рис. 24. Треугольники скоростей

Согласно п.2.2.1 газодинамические силы, действующие на лопатку:

Н/м;

Н/м.

;

Н/м.

  1.  Расчет напряжений в лопатке
    1.  Определение погонной нагрузки:

Н/м, [5, с. 102]

  1.  Реакции в опорах А и В:

Согласно чертежу направляющего аппарата, см. рис 25:

м, м,

, [5, с. 132]

;

Н;                  

Н.

  1.  Определение поперечной силы: 

,   [5, с. 132]

    

;

Н.

  1.  Определение изгибающего момента:

,    [5, с. 132]

.

  1.  Определение поперечной силы в опасном сечении (сечении z):

,   [5, с. 132]

;

  1.  Определение изгибающего момента в сечении z:

, [5, с. 132]

.

  1.  Определение осевых моментов сопротивления:

, [5, с. 59]

где  ‒ диаметр цапфы направляющей лопатки;

.

  1.  Определение моментов сопротивления в сечении z:

, где  ‒ диаметр цапфы направляющей лопатки в опасном сечении;

.

  1.  Определение напряжений изгиба:

, [5, с. 251]

 МПа.

  1.  Определение напряжений изгиба в сечении z:

, [5, с. 251]

.

  1.  Выбор материла направляющей лопатки

Исходя из температуры лопатки (402,7К), в качестве материала лопатки принимаем коррозионно-стойкую легированную сталь ЭИ787, [σ]=950МПа.

  1.  Определение коэффициента запаса прочности

Условие прочности запишем в виде:

;

125,9˂950 следовательно условие прочности соблюдается.

Коэффициент запаса: ; .

Эпюра нагружения направляющей лопатки представлена на рисунке 25.

  1.  Оценка работоспособности НА по условию прочности

Произведен расчет крепления направляющей лопатки 1-й ступени КВД. Самым опасным сечением в цапфе лопатки является сечение z (). Напряжения изгиба от газодинамических сил в данном сечении составляют -126 МПа, допустимые напряжения стали ЭИ787 при данной температуре составляют МПа, коэффициент запаса составляет K=7,5. Следовательно, прочность лопатки обеспечена, мероприятий по повышению прочности не требуется.

Рис. 25. Эпюра нагружения направляющей лопатки

  1.  Выводы по разделу

В ходе выполнения специальной части дипломного проекта была разработана конструкция КВД с гладкой проточной частью. Была подробно проработана конструкция ротора и статора, решены задачи отборов воздуха, управления радиальными зазорами, уплотнения газовоздушного тракта и масляных полостей.

Выполнены расчеты на статическую прочность рабочей лопатки 2-й ступени, промежуточного диска, произведен расчет рабочей лопатки 2-й ступени КВД на колебания, а также произведен расчет крепления НА 1-й ступени КВД.

При расчете на статическую прочность лопатки были оценены напряжения в характерных точках пера лопатки. Все напряжения достигают своего максимального значения в корневом сечении лопатки, что означает опасность обрыва лопатки именно в этом сечении. В данном расчете значение коэффициента запаса в корневом сечении на входной кромке составляет К=11,1. Из опыта эксплуатации этот коэффициент должен быть более К=2,1,  то есть, лопатка удовлетворяет условиям прочности и корректировки её геометрии не требуется.

При расчете на статическую прочность диска были вычислены коэффициенты запаса прочности по 11 сечениям. Значение коэффициента запаса по разрушающей частоте вращения должно быть не менее Кb=1,35. Минимальное значение коэффициента запаса прочности в ступице диска достигает значения Кb=1,635, на радиусе R=92 мм. Работоспособность диска находится выше нижней границы допустимого значения, поэтому необходимость в корректировке не трубуется.

При расчете рабочей лопатки на колебания была вычислена собственная частота колебаний лопатки fс =1488 Гц, которая с увеличением частоты вращения ротора увеличивается. Результат резонансной диаграммы показал, что в диапазоне рабочих режимов резонанса не возникает. В случае возникновения резонанса в диапазоне рабочих оборотов необходимо производить отстройку лопатки, которая достигается: изменением геометрии лопатки, расположением лопаток НА с разным шагом, изменением частоты собственных колебаний лопатки или изменением частоты возбуждающей силы, снижением амплитудных значений возбуждающих сил при помощи увеличения осевых зазоров между лопатками рабочих колес и неподвижных аппаратов.

При расчете крепления НА 1-й ступени были вычислены максимальные напряжения изгиба от газодинамических сил, в опасном сечении напряжения изгиба достигают максимального значения и составляют . В данном расчете значение коэффициента запаса в опасном сечении составляет . Из опыта эксплуатации этот коэффициент должен быть более К=2,1,  то есть, лопатка удовлетворяет условиям прочности и корректировки её геометрии не требуется.

  1.  ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
  2.  Назначение детали и анализ её технологичности

В процессе проектирования рассматривалось несколько вариантов конструкции рабочего колеса первой ступени. Основные проблемы при компоновке возникли из-за необходимости совмещения развитого замкового соединения (лопатки первой ступени широкохордные и довольно массивные) и элемента соединения с диском второй ступени. Болтовое соединение в межпазовых выступах сильно нагружает межпазовые перемычки, а введение дополнительного фланца увеличивает массу и снижает общую жесткость ротора. Кроме того, уже само по себе размещение замкового соединения в диске при широких лопатках и малом относительном диаметре втулки представляет большие трудности. Таким образом, оптимальным решением в данной ситуации представляется применение для первой ступени моноколеса (конструкции типа блиск). Блиск – изготовленный заодно целое диск с лопатками (от английских слов «blade» - лопатка, «disk» - диск). Основное преимущество блисков – возможность снижения на 20-30 % массы рабочего колеса и увеличение ресурса за счет исключения концентраторов напряжений в замковых соединениях.

Применение блиска, наряду с большими преимуществами конструкции (отсутствие пазов в ободе диска, уменьшение веса и т.д.), влечет за собой необходимость более точных расчетов параметров напряженно-деформированого состояния в лопатках и частот собственных колебаний для их частотной отстройки от резонансов с гармониками по наиболее опасным собственным формам колебаний, поскольку демпфирование, присущее конструкции колес с традиционными замковыми соединениями, в данной конструкции отсутствует. Кроме того, для конструкции блиска наиболее остро встают вопросы ремонтопригодности.

Изготовленные литьем или сваркой блиски компрессоров и турбин давно и широко применялись для изготовления низконапряженных малоразмерных роторов короткоресурсных ГТД беспилотных летательных аппаратов, а также турбонасосных агрегатов для ракетных двигателей, так как на дисках малого диаметра невозможно было обеспечить прочность замковых соединений для размещения требуемого количества лопаток. Вместе с тем эти конструкции не находили применения в двигателях для пилотируемых летательных аппаратов, когда разрушение роторов может привести к опасным последствиям (из-за наличия после литья или сварки пор, существенно снижающих прочностную надежность, проблем обеспечения вибропрочности при  отсутствии эффективного конструкционного демпфирования, относительно невысоких механических свойств литых или свариваемых материалов). Кроме того, отсутствовали эффективные ремонтные технологии (прежде всего для ремонта лопаток, поврежденных при попадании в двигатель посторонних предметов, задевании лопаток ротора о корпус и т.д.). Успешное решение этих вопросов привело к широкому применению блисков в двигателях различного назначения.

Для повышения жесткости, прочности и дополнительного облегчения конструкции типа блинг разработаны технологии кольцевых вставок из металлокомпозитов, например Ti – Sic.

Моноколеса и крыльчатки давно используются в производстве малых ГТД (для вертолетов, бизнес – авиации, наземной техники). Но только в последние годы их начинают применять для двигателей военной и гражданской авиации. Это обусловлено следующими причинами.

Моноколеса позволяют существенно уменьшить размеры обода диска за счет устранения замковых соединений и снизить вес конструкции типа «блиск» на ~30%, «блинг» на ~70%.

Стремление к повышению удельных параметров и одновременно создание компактных конструкций ГТД привело к тому, что несколько осевых ступеней компрессора стали заменять одним широкохордым моноколесом или крыльчаткой. Это позволяет увеличить угловую скорость вращения ротора (до 50…80тыс. об/мин) и напорность ступеней.

Проектируемое моноколесо 1-й ступени КВД двигателя ПД-14 служит для передачи крутящего момента от ротора КВД к рабочему телу (часть кинетической энергии превращается в потенциальную энергию давления).

Применяемые в отечественных ГТД моноколеса, несмотря на относительно небольшую номенклатуру, значительно отличаются друг от друга конструктивным исполнением.

Размеры монолитных колес находятся в диапазоне 170…700 мм по наружному диаметру и 25…175 мм по ширине.

Количество лопаток, даже на колесах примерно одного диаметра, различно.

Высота лопаток составляет 0…200 мм, причем для осевых колес она значительно выше чем для центробежных.

Толщина лопаток составляет от 0,9 до 3,0 мм, что в значительной степени влияет на жесткость технологической системы и требует продуманного выбора технологических переходов при обработке, а в некоторых случаях применения промежуточной заливки межлопаточного пространства перед фрезерованием.

Моноколеса роторов компрессоров являются наиболее нагруженными и ответственными деталями газотурбинных двигателей (ГТД). При работе двигателя они испытывают: напряжения растяжения от центробежных сил масс диска, масс рабочих лопаток; напряжения растяжения-сжатия, возникающие вследствие неравномерности нагрева моноколеса по радиусу.

Моноколеса передают крутящий момент от вала к лопаткам в компрессорах и от лопаток к валу в турбинах. Но напряжения кручения малы.

В блисках могут возникать также напряжения изгиба от действия газовых и центробежных сил на лопатки, от давления на боковые поверхности блиска, от неравномерности нагрева по толщине блиска, от действия гироскопического момента.

При определенных температурных условиях и значительных напряжениях в отдельных участках моноколеа возможны проявления ползучести материала и его пластическая деформация.

При больших ресурсах возрастает значение малоцикловой усталости в блисках, возникающей при многократном изменении режима работы двигателя.

По этим причинам для изготовления моноколес в основном применяются титановые сплавы ВТ3–1, ВТ5–1, ВТ–6 , ВТ–8, ВТ–8–1, ВТ–25, а также аллюминевые сплавы АК4–1, АК–6, ВД – 17.

Моноколеса относятся к деталям повышенной сложности, к ним предъявляются высокие требования по качеству поверхности и внутренней структуре.

В данном курсовом проекте рассматривается блиск первой ступени КВД. Температурные нагрузки на диск не велики (температурный режим до 400 ºС).

В качестве материала выбран титановый сплав ВТ8, который имеет низкую плотность (почти в два раза меньше, чем у стали) и практически не уступает многим легированным сталям по механическим свойствам.

Титановый сплав ВТ8 обладает высокими эксплуатационными качествами, прочностью, антикоррозийными свойствами, сопротивлением циклическим нагрузкам, что достигается определенным сочетанием компонентов сплава.

Рис. 26. Рабочее колесо первой ступени КВД

  1.  Определение типа производства

Разрабатываемый технологический процесс изготовления детали должен быть увязан с организацией его выполнения, т.е. типом производства. Основными признаками, определяющими тип производства, являются широта номенклатуры, регулярность, стабильность и объем выпуска деталей (ГОСТ 14.004-83).

Различают три типа машиностроительного производства:

‒ массовое;

‒ серийное;

‒ единичное.

Одной из основных характеристик типа производства является коэффициент закрепления операций – отношение числа всех различных технологических операций, выполняемых в течение месяца О, к числу рабочих мест Р:

[9, с. 14]

Исходные данные:

Годовая программа выпуска деталей: N = 40 шт.

Режим работы – односменный.

Количество операций выполняемых на рабочем месте:

[6, с. 21]

где – нормативный коэффициент загрузки оборудования; принимаем          [1, с. 20];

– фактический коэффициент загрузки рабочего места.

[6, с. 20]

где – количество станков.

[6, с. 20]

где – штучное или штучно-калькуляционное время, мин;

– действительный годовой фонд времени работы оборудования, ч; принимаем для односменной работы .

Данные по существующему технологическому процессу и результаты расчетов приведены в таблице 17.

Операция

сборка

1

0,000411

1

0,000411

1948,8

2

слесарная

1

0,000411

1

0,000411

1948,8

3

токарная

18

0,007389

1

0,007389

108,2667

4

токарная

12

0,004926

1

0,004926

162,4

5

токарная с ЧПУ

10

0,004105

1

0,004105

194,88

6

токарная с ЧПУ

12

0,004926

1

0,004926

162,4

7

токарная с ЧПУ

25

0,010263

1

0,010263

77,952

8

расточная

2

0,000821

1

0,000821

974,4

9

слесарная

1

0,000411

1

0,000411

1948,8

10

фрезерная с ЧПУ

48

0,019704

1

0,019704

40,6

11

токарная

48

0,019704

1

0,019704

40,6

12

токарная с ЧПУ

6

0,002463

1

0,002463

324,8

13

токарная с ЧПУ

18

0,007389

1

0,007389

108,2667

14

токарная с ЧПУ

10

0,004105

1

0,004105

194,88

15

слесарная

20

0,00821

1

0,00821

97,44

16

расточная

0,167

6,86E-05

1

6,86E-05

11669,46

17

слесарная

8

0,003284

1

0,003284

243,6

Продолжение таблицы 17

18

расточная

0,5

0,000205

1

0,000205

3897,6

19

слесарная

6

0,002463

1

0,002463

324,8

20

фрезерная с ЧПУ

4

0,001642

1

0,001642

487,2

21

слесарная

4

0,001642

1

0,001642

487,2

22

фрезерная с ЧПУ

1

0,000411

1

0,000411

1948,8

23

слесарная

5

0,002053

1

0,002053

389,76

24

слесарная

1

0,000411

1

0,000411

1948,8

25

слесарная

1

0,000411

1

0,000411

1948,8

26

слесарная

1,667

0,000684

1

0,000684

1169,046

27

фрезерная с ЧПУ

2,5

0,001026

1

0,001026

779,52

28

слесарная

210

0,086207

1

0,086207

9,28

29

полировальная

6

0,002463

1

0,002463

324,8

30

токарная с ЧПУ

40

0,01642

1

0,01642

48,72

31

токарная с ЧПУ

5

0,002053

1

0,002053

389,76

32

токарная

5

0,002053

1

0,002053

389,76

33

токарная

3

0,001232

1

0,001232

649,6

34

слесарная

6

0,002463

1

0,002463

324,8

35

расточная

0,167

6,86E-05

1

6,86E-05

11669,46

36

слесарная

6

0,002463

1

0,002463

324,8

Итого:

2

0,000821

1

0,000821

974,4

Определяем коэффициент закрепления операций:

Вывод: производство единичное.

Определяем количество деталей в партии:

 [6, с. 23]

где N – годовой объем выпуска деталей, шт.; N = 40; D – число рабочих дней в году (при двух выходных днях D = 253); а – периодичность запуска деталей, дней; принимаем а = 24.

Принимаем размер партии деталей

  1.  Разработка эскизного маршрута

Эскизный маршрут разработан на основе комплекта документов технологического процесса изготовления рабочего колеса первой ступени КВД.

  1.  Расчет припусков и межоперационных размеров
    1.  Обработка двух торцевых поверхностей, образующих размер 180h9(–0,1)

2

1

Рис. 27. Расчетная схема

  1.  Определяем суммарное пространственное отклонение:

[6, с. 68]

D = 392 мм.

Согласно [8,т. 1 с. 186] принимаем

  1.  Определяем остаточное пространственное отклонение:

[6, с. 73]

Согласно [6, с. 73] принимаем: для чернового подрезания для получистового подрезания для чистового подрезания

Рис. 3. Расчетная схема

 

Рис. 3. Расчетная схема

После чернового подрезания:

После получистового подрезания:

После чистового подрезания:

  1.  Определяем минимальный припуск на обработку:

[6, с. 62]

Под подрезание торца 1 черновое:

Под подрезание торца 2 черновое:

Под подрезание торца 1 получистовое:

Под подрезание торца 2 получистовое:

Под подрезание торца 1 чистовое:

 

Под подрезание торца 2 чистовое:

  1.  Определяем расчетные размеры lp:

  1.  Определяем предельные размеры:

  1.  Определяем предельные значения припусков:

  1.  Определяем общие припуски:

Для торца 1:

 

Для торца 2:

 

  1.  Проверяем правильность произведенных расчетов:

Для торца 1:

Для торца 2:

Расчеты произведены правильно.

Результаты расчетов сведены в таблицу 18.

Таблица 18.

Расчет припусков и предельных размеров на обработку двух торцевых поверхностей, образующих размер 180h9(–0,1).

Операция

Элементы припуска

Расчетный припуск

,  мкм

Расчетный размер,

, мм.

Допуск, мкм.

Предельный

размер, мм.

Предельные

значения

припусков,

мкм.

Заготовка

160

250

235

-

-

182,822

1150

182,822

183,972

-

-

1.Черновая подрезка т. 1

100

100

14

170

815

182,007

460

182,007

182,476

815

1505

2.Черновая    подрезка т. 2

100

100

14

170

815

181,192

460

181,192

181,652

815

815

3.Получистовая подрезка т. 1

50

50

12

160

384

180,808

185

180,808

180,993

384

659

4.Получистовая

подрезка т. 2

50

50

12

160

384

180,424

185

180,424

180,609

384

384

5.Чистовая            подрезка т. 1

25

30

10

150

262

180,162

115

180,162

180,277

262

332

6.Чистовая            подрезка т. 2

25

30

10

150

262

179,9

100

179,9

180

262

277

  1.  Расчет режимов резания и норм времени
    1.  Расчет фрезерной операции (№ 250)

Исходные данные:

  1.  Деталь

Наименование детали – моноколесо первой ступени КВД (рис. 4).

Материал – титановый сплав ВТ8-1, 980 МПа.

Точность обработки поверхностей – 12 квалитет.

Шероховатость поверхностей – Ra 2,5 мкм.

  1.  Заготовка

Метод получения заготовки – поковка I группы.

Масса – 21,408 кг.

Состояние поверхностей – деталь практически полностью обработана.

Припуск на обработку поверхностей – П = 8,25 мм.

  1.  Станок

Модель станка MA655A10.

Паспортные данные станка:

Размеры рабочей поверхности стола (в мм) – 1250500;

Мощность привода главного движения – 17 кВт;

Частота вращения шпинделя n, об/мин: 20; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500;

Пределы подач стола (в мм/мин) – 10…1200;

Максимальный крутящий момент на шпинделе – 955 Нм;

Масса станка 10000кг.

  1.  Операция

Приспособление – специальное.

Содержание операции: фрезеровать контур.

  1.  Инструмент

По [777, 155] выбираем: фреза концевая D = 20 мм, Р6М5, число зубьев z = 3.

 

Рис. 28. Эскиз обработки моноколеса

  1.  Выбор стадий обработки

По [7, с. 202] выбираем составляющие показателя количества стадий обработки в зависимости от:

твердости обрабатываемого материала ;

числа зубьев фрезы ;

отношения вылета фрезы к диаметру ;

отношения ширины фрезерования к диаметру фрезы .

Исходя из допуска на выполняемый размер, определяем показатель количества стадий обработки:

[7, с. 154]

где  – допуск на выполняемый размер;  = 0,57 мм.

Полученное значение показателя количества стадий обработки является критерием выбора необходимого количества стадий обработки:

[7, с. 203].

Требуемая точность может быть достигнута за одну стадию обработки.

  1.  Выбор глубины резания

По [7, с. 206] для (Пmax·B) = 8,25·30 = 247,5 мм2 достаточно для обработки за один рабочий ход.

  1.  Выбор подачи

Подачу на зуб для обработки поверхностей выбираем по [7, табл.153 с. 173]

Выбранное значение подачи корректируем с учетом поправочных коэффициентов

По [7, с. 174] выбираем поправочные коэффициенты для измененных условий работы в зависимости от:

твердости обрабатываемого материала ;

материала режущей части фрезы ;

отношения фактического числа зубьев к нормативному ;

отношения вылета фрезы к диаметру ;

Подача, допустимая по шероховатости обработанной поверхности,

[7, с. 218].

Окончательно принимаем минимальное значение .

  1.  Выбор скорости и мощности резания

Скорость и мощность резания выбираем по [7, с. 159] с учетом поправочных коэффициентов в зависимости от:

группы обрабатываемого материала ;

твердости обрабатываемого материала ;

материала режущей части фрезы ;

периода стойкости режущей части фрезы ;

отношения фактической ширины фрезерования к нормативной ;

состояния поверхности заготовки ;

наличия охлаждения .

Проверяем выбранные режимы резания по мощности привода главного движения станка:

Запас мощности станка обеспечен.

Определяем частоту вращения шпинделя:

По паспорту станка принимаем ближайшее значение .

С учетом этого фактическая скорость резания:

Определяем фактическую мощность резания:

  1.  Определение минутной подачи

  1.  Определение нормы штучного времени

[10, ч. 2 с. 163]

где – время цикла автоматической работы станка по программе;

– вспомогательное время;

– время на организационное и техническое обслуживание рабочего места, отдых и личные потребности (в процентах от оперативного времени); принимаем по [10, ч. 1 с. 82]

где – основное время автоматической работы станка по программе;

– машинно-вспомогательное время.

где – длина обрабатываемой поверхности;

– длина подвода;

– длина врезания;

– длина перебега.

   

где – машинно-вспомогательное время на выполнение автоматическую смену инструмента;

 – машинно-вспомогательное время на выполнение автоматических вспомогательных ходов и технологические паузы.

где – длина холостого хода;

– подача холостого хода;

где – вспомогательное время на установку и снятие детали, закрепление и открепление детали; по [9, ч. 1 с. 78]

 – вспомогательное время, связанное с операцией; по [10, ч. 1 с. 79]

 – вспомогательное время на контрольные измерения; по [10, ч. 1 с. 80]

  1.  Вывод по разделу

В ходе выполнения технологической части дипломного проекта был решен круг задач, определяющий разработку технологического процесса изготовления рабочего колеса 1-й ступени КВД – от определения типа производства до технологической проработки эскизного маршрута. Определены условия производства, произведен расчет припусков для обработки двух торцевых поверхностей, образующих размер 180-0,1. В ходе этого расчета были определены оптимальные режимы резания для фрезерной операции с ЧПУ, такие как подача, скорость резания, частота вращения шпинделя станка.


  1.  РАСЧЕТ СЕБЕСТОИМОСТИ  ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ДИСКА КВД
  2.  Состав затрат на проектирование промежуточного диска КВД

Проект промежуточного диска заключается в выполнении целого комплекса работ, результатом которых является создание комплекта конструкторской документации на отвечающее требованиям рынка изделие. Стадии разработки конструкторской документации изделий всех отраслей промышленности определяется по ГОСТ 2.103-68. Создание промежуточного диска КВД включает в себя следующие основные этапы:

  1. Техническое предложение (аванпроект);
  2. Эскизный проект;
  3. Технический проект;
  4. Подготовка производства и изготовление ДСЕ;
  5. Подготовка к испытаниям;
  6. Испытания.

На этапе аванпроекта определяются основные данные промежуточного диска. Проводятся предварительные проектировочные газодинамические расчеты проточной части компрессора, т.к. промежуточный диск формирует проточную часть КВД. По результатам проведенных расчетов и анализу конструкции прототипа создается предварительная компоновка узла. На данном этапе необходимо так же провести анализ  конструкции на предмет технического риска. Основной способ провести такой анализ – это согласование компоновки и проектировочного расчета с разными отделами, службами и специалистами.  Все высказанные замечания надо проанализировать, по возможности устранить, а те, которые кажутся ошибочными сохранить и возвращаться к ним на каждой последующей стадии проекта.

Эскизный проект выполняется после принятия решения о начале работ по проекту на основе анализа аванпроекта. Эскизный проект заключается в создании эскизной компоновки диска и включает в себя проведение газодинамических, тепловых и прочностных расчетов. Помимо компоновки эскизное проектирование подразумевает изучение материалов, вопрос о применении которых встает с проектированием новой конструкции. Объем применения новых материалов определяется количеством изменений затрагиваемых модернизацией.

Технический проект заключается в создании рабочей компоновки промежуточного диска. По содержанию рабочей компоновки выпускается конструкторская документация на вновь вводимые детали и узлы. Выполняется контрольная сборка узла, по результатам которой происходит корректировка геометрии ДСЕ.

Изготовлению деталей предшествует выпуск комплекта технологической документации на разработанные ДСЕ. Выбирается необходимое оборудование, подбирается или изготавливается оснастка. Далее следует изготовление опытных образцов деталей.

На этапе подготовке к испытаниям составляется программа испытаний и схема препарирования узла, производится выпуск конструкторской документации на доработку и препарирование ДСЕ. Доработка и препарирование происходит в соответствии с технологической документацией на изготовление и сборку узла для специальных испытаний. Так же создается документация на оснащение испытательного стенда.

Испытания предполагают исследование и проверку работы промежуточного диска в составе компрессора высокого давления. По анализу результатов испытаний проводят оценку совершенства конструкции, выявляют возникшие или возможные дефекты конструкции.

Трудоемкость этапов работ определена в соответствии с действующей на ОАО “Авиадвигатель” нормативно-технической документацией.

  1.  Методика расчета затрат на проектирование

Методика проведения расчетов основана на материалах изложена в [11].

Для определения стоимости каждого этапа работ используют человек/месяцы для инженерно-конструкторских работ и норма/часы для работ на изготовление деталей и экспериментальные работы. Количество норма/часов подсчитывается исходя из сложности и количества технологических операций. Человек/месяцы, рассчитываемые на инженерно-конструкторские работы, определяются из опыта проведения таких работ каждым конструкторским бюро в отдельности.

К прямым затратам на изготовление и опытные работы помимо трудоемкости относят затраты на материалы, горюче-смазочные материалы (ГСМ) и спецоборудование.

Фонд оплаты труда (ФОТ) определяет средства необходимые для оплаты труда и выплат в социальные фонды. Фонд оплаты труда определяется как сумма основного и дополнительного фондов оплаты труда.

Основной фонд оплаты труда является базой для расчета дополнительной заработной платы, отчислений в социальные фонды и определения величины накладных расходов.

Основной фонд оплаты труда для инженерно-конструкторских работ определяется по формуле:

     (4.1)

где ТР – трудоемкость работы, чел./мес.;

ЗПср – средняя заработная плата специалистов ОАО “Авиадвигатель”, руб./мес. ЗПср составляет 28500 руб./мес.

Основной фонд оплаты труда для производственных работ определяется по формуле:

     (4.2)

где ТР – трудоемкость работы, н/ч;

СТ – стоимость н/ч, руб., составляет 172 руб.

Дополнительный фонд оплаты труда составляет 20% от основного и представляет собой премиальные выплаты. Дополнительный фонд оплаты труда (ДФОТ) определяется по формуле:

    (4.3)

Ставкой отчислений в социальные фонды берется ставка единого социального налога 26,2% от фонда оплаты труда. Эта статья затрат складывается из следующих составляющих:

  1. взнос в пенсионный фонд – 20%;
  2. взнос в фонд социального страхования – 2,9%;
  3. взнос в фонд обязательного медицинского страхования – 3,1%;
  4. Взнос в фонд обязательного социального страхования от несчастных случаев на производстве – 0,2%.

Единые социальные выплаты (ЕСВ) от фонда оплаты труда определяются по формуле:

    (4.4)

где ОФОТ – основной фонд оплаты труда, руб.;

ДФОТ – дополнительный фонд оплаты труда, руб.

Накладные расходы составляют 288,5% от основного фонда оплаты труда и определяются по формуле:

     (4.5)

Накладные расходы (цеховые, общезаводские, внепроизводственные) включаются в себестоимость косвенным путем. Статьи цеховых расходов:

Активная часть – расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (затраты на электроэнергию, топливо, пар, газ, воду и т.д.; амортизация оборудования; затраты на инструмент, приспособления; содержание вспомогательных рабочих и др.);

Пассивная часть – общецеховые расходы (амортизация и содержание зданий; содержание администрации; затраты на охрану труда и технику безопасности и др.).

Суммируя перечисленные затраты определяем себестоимость (С) по формуле:

   (4.6)

где М – затраты на материалы, электроэнергию, ГСМ и спецоборудование, руб.

Прибыль (П) составляет 15% от себестоимости и определяется по формуле:

     (4.7)

Средства, полученные в этой статье, пойдут на уплату налога на прибыль и на развитие предприятия.

Расчетная стоимость определяется по формуле:

     (4.8)

К полученной расчетной стоимости также может быть прибавлена стоимость услуг сторонних организаций.

  1.  Расчет состава затрат
    1.  Итоговые затраты на этапе технического предложения

1. Основной фонд оплаты труда:

2. Дополнительный фонд оплаты труда:

3. Единые социальные выплаты:

4. Накладные расходы:

5. Себестоимость:

руб.

Подобным образом производится расчет себестоимости для всех остальных этапов работ, за исключением этапов, имеющих дополнительные статьи расходов. К дополнительным статьям расходов относится стоимость заготовительного материала для изготовления ДСЕ, затраты на электроэнергию и ГСМ при проведении испытаний. Дополнительные расходы так же включаются в себестоимость изделия.

  1.  Дополнительные затраты на этапе подготовки производства и изготовления ДСЕ

Для производства промежуточного диска необходимая масса заготовительного материала ориентировочно равна 16 кг по средней цене 12600 руб. за 1 кг.

                                            (4.10)

  1.  Дополнительные затраты на этапе проведения испытаний

Спец. испытания необходимо провести в объеме 30 часов, при этом за 1 час работы расходуется 70 кВт электроэнергии стоимостью 3,29 руб. за 1 кВт. и 5 л масла по цене 90 руб. за 1 л. Определяем затраты на ГСМ:

руб.                                           (4.11)

Затраты на электроэнергию, потребляемую на технологические цели, определяются по формуле:

Рэл.эн=,                                                          (4.12)

где Ц – цена 1 кВт/ч электроэнергии с НДС, руб.;

F – действительный фонд времени работы оборудования, час;

- суммарная мощность оборудования, кВт;

                                        Рэл.эн=

В таблице М.1, приложения М приведены результаты расчета затрат на проектирование промежуточного диска КВД на основе опытных данных затрат трудоемкости на тот или иной этап работ ОАО “Авиадвигатель”. Указанные затраты не являются официально утвержденными и приведены для примера.

  1.  Общие выводы по результатам расчета

В результате вышеприведенного расчета себестоимость затрат на проектирование промежуточного диска составила  3764069,1 руб. Распределение себестоимости по этапам отражено в таблице М.2, и на рисунке М.1 приложения М. Из анализа результатов видно, что наибольшая доля от общей себестоимости приходится на этап технического проекта (20%), и на этап испытаний (23,9%). Наименьшая доля от общей себестоимости приходится на этап технического предложения (5,8%).

Снижение себестоимости на проектирование связано с сокращением проектных работ на разных этапах проектирования или уменьшением трудоемкости выполняемых работ. Данные мероприятия приведут к снижению качества выполняемых работ, а это связано с надежностью работы детали. Одним из способов снижения затрат можно отметить проведение испытаний в составе узла, в который входит деталь (в составе КВД).


  1.  ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПАССАЖИРОВ САМОЛЕТА ПУТЕМ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ И ОТКАЗОБЕЗОПАСНОСТИ КВД

Безопасность пассажиров самолета зависит от множества факторов, одним из главных является двигатель самолета (ТРДД). В свою очередь надежность и отказобезопасность двигателя напрямую зависит от его узлов, таких как: КНД, КВД, КС, ТВД, ТНД и т.д. Таким образом, отказобезопасность проектируемого КВД напрямую связана с безопасностью пассажиров самолета, на который будут устанавливаться данные двигатели. Вероятность отказов двигателя, а также его узлов прописаны в заявленных требованиях на двигатель, т.е. в ТЗ. На рисунке 29 показана схема влияния КВД на безопасность самолета и пассажиров.

  1.  Цель

Целью анализа безопасности пассажиров самолета является проверить удовлетворяет ли проектируемый узел заявленным требованиям в ТЗ. Для этого проведем анализ надежности и отказобезопасности КВД.

Рис. 29. Схема влияния КВД на безопасность самолета и пассажиров

Целью анализа является проверка, каким образом отказы, предложенной конструкции КВД перспективного двигателя, могут привести к возникновению функциональных отказов и соответствуют ли предварительные вероятности их возникновения заявленным требованиям надежности узла в ТЗ.

  1.  Предположения

Перспективный двигатель предполагается устанавливать на ближне-средне магистральные самолеты, поэтому для подсчета надежности, учитывается время фаз полетных циклов и  профиль полета этих самолетов.

Практически на всех стадиях полета, детали КВД  подвержены достаточно жестким условиям работы и воспринимают различные как динамические, так и термические нагрузки. Поэтому, в течении всего срока эксплуатации возможны проявления различных видов отказов тех или иных компонентов узла.

В рабочих и направляющих лопатках КВД  возможны развития трещин или появление забоин ввиду причины попадания постороннего предмета в газовоздушный тракт или  работы компрессора на нерасчетном режиме. Также возможны различные дефекты в статорной части компрессора, таких как наличие трещин в корпусах отборов, вследствие воздействия высоких температур, а также элементов механизации при достаточно интенсивных переходах на различные режимы работы двигателя и большого износа.

Опора ротора  КВД воспринимает  достаточно сильные  радиальные  и осевые нагрузки, поэтому возможны различные дефекты в виде утечки масла из полости размещения шарикоподшипника или наличия стружки в масле, вследствие выкрашивания обоймы из-за увеличения осевой силы на подшипник.

В течении всего срока службы двигателя необходим периодический контроль состояния его систем. Дефекты, выявляемые в эксплуатации необходимо выявлять средствами диагностики и методов контроля  при осмотре двигателя  каждые 500-600 часов работы.

Распределение значений вероятности отказов компонентов узла КВД берется исходя из учета опыта предприятия эксплуатации гражданских двигателей.

  1.  Требования, предъявляемые к системе и ее компонентам

В таблице 19 представлен перечень отказных состояний в соответствии с требованиями, уровни опасности, а также максимально допустимые значения вероятностей возникновения этих отказных состояний.

Требования по отказобезопасности для узла КВД перспективного двигателя складываются из двух составляющих:

  1.  Требования по отказобезопасности сертификационного базиса двигателя (на основе [13], [14].
  2.  Требования к уровням показателей надежности узлов и систем на основе [15] и [16].

Таблица 19

Требуемые уровни отказобезопасности, предъявляемые к отказным состояниям узла КВД перспективного двигателя


п/п

Вид отказного состояния

Требуемый уровень безопасности на 1 час полета

Источник

1

Нелокализованный пожар.

       < 1 ∙10-9

[13]

2

Нелокализованное разрушение (вылет опасных фрагментов через корпус двигателя).

       < 1 ∙10-9

[13]

3

Отказы в полете, приводящий к выключению двигателя

       < 5 ∙ 10-6

[15]

4

Отказы, приводящие к посещению цеха для ремонта

       < 8 ∙ 10-5

[15]

5

Неисправность, выявленная на земле и в полете, и устраненная в эксплуатации

       < 3,33 ∙10-4

[15]

6

Отказы, ведущие к задержке вылета

        < 4 ∙10-4

[16]

  1.  Анализ отказобезопасности КВД
    1.  Методика выполнения анализа

Подтверждение соответствия требованиям регламентирующих документов по отказобезопасности проводилось с использованием комбинации различных аналитических методов, позволяющих выполнять полный качественный и количественный анализ отказобезопасности системы. Эти методы включают следующие виды анализов:

Анализ показателей надежности (Интенсивности отказов – λ∙10-6  и средней наработки на отказ - MTBF);

Оценка Функциональных Опасностей (Functional Hazard Assessment -  FHA);

Анализ Видов, Последствий и Критичности Отказов (Failure Mode Effect and Criticality Analysis - FMECA);

Анализ общих причин отказов;

FTA - Анализ Деревьев Отказов (Fault Tree Analysis - FTА).

  1.  Показатели надежности.

В этой главе проанализированы характеристики надежности (Интенсивность отказов и наработка на отказ/MTBF) узла КВД в соответствии с отчётами по надёжности разработчика, полученных на основании статистического анализа из опыта эксплуатации гражданских двигателей.

Вероятности поломок лопаток статора и ротора основывались на опыте эксплуатации гражданских двигателей и учитывались как возможная поломка из-за дефекта при производстве или забоина лопатки из-за попадания постороннего предмета с учетом того фактора, что вероятность попадания предмета в проточную часть выше.

Особенно нагруженными узлами являются элементы ротора и опоры. Диски ротора КВД нагружены высокими температурами и центробежными силами и при их проектировании закладываются большие коэффициенты запаса по прочности, поэтому их поломки являются событием практически невероятным.

Показатели надёжности двигателя и его подсистем, агрегатов и компонентов систематизированы в таблице 20.

Таблица 20

Показатели надёжности узла КВД в составе силовой установки

№                                

Заводской номер компонента

Кол-во

Интенсивность,    

  (λ) x 10-6     

Средняя наработка на отказ   

Источник данных по надежности

1.1.2

Опора ротора КВД

1

1,600

6,2 x105

Опыт эксплуатации гражданских двигателей ОАО «Авиадвигатель»

1.1.2.1

Шарикоподшпник

1

1,600

6,2 x105

1.1.3

Ротор КВД

1

1633

612,370

1.1.3.1

Диски с 1 по 8 ст.

8

1,600

6,2 x105

1.1.3.7

Лабиринт 8 ст.

1

0,200

5,0 x106

1.1.3.8

Вал КВД

1

0,200

5,0 x106

1.1.3.9

Цапфа КВД

1

0,200

5,0 x106

1.1.3.10

Труба отбора

24

4,800

2,1 x105

1.1.3.11

Кольцо отбора

1

0,200

5,0 x106

1.1.3.12

Кольцо

1

0,200

5,0 x106

1.1.3.13

Лопатка с 1 по 8  ст.

508

1625,6

615,157

1.1.4

Корпус ВНА

1

0,200

5,0 x106

1.1.5

Корпус НА 1,2,3 ст.

1

0,200

5,0 x106

1.1.6

Кольца рабочие с 1 по 8 ст. КВД

6

1,200

8,3 x105

1.1.8

Кольцо НА с 4 по 7 ст. КВД

4

0,800

1,2 x106

1.1.16

Кольцо СА верхнее

1

0,200

5,0 x106

1.1.17

Кольцо СА нижнее

1

0,200

5,0 x106

1.1.18

Корпус КВД средний

1

0,200

5,0 x106

1.1.19

Корпус отбора

1

0,200

5,0 x106

1.1.20

Кольцо внутреннее стойки ВНА

1

0,200

5,0 x106

1.1.21

Кольцо ВНА внутреннее переднее

1

0,200

5,0 x106

Продолжение таблицы 20

№                                

Заводской номер компонента

Кол-во

Интенсивность,    

  (λ) x 10-6     

Средняя наработка на отказ   

Источник данных по надежности

1.1.22

Кольцо ВНА внутреннее заднее

1

0,200

5,0 x106

1.1.23

Кольцо НА внутреннее переднее

1

0,200

5,0 x106

1.1.24

Кольцо НА внутреннее заднее

1

0,200

5,0 x106

1.1.25

Кольцо НА внутреннее фиксирующее

1

0,200

5,0 x106

1.1.26

Стойка ВНА

37

0,138

7,3 x106

1.1.36

Механизация КВД

1

2,247

4,4 x105

1.1.36.1

Рычаги НА

145

1,349

7,4 x105

1.1.36.2

Втулки на цапфе лопаток НА

145

0,899

1,1 x106

1.1.37

Лопатки НА с 1 по 8 ст.

766

0,138

7,3 x106

1.1.38

Лабиринт КВД

1

0,200

5,0 x106

1.1.39

Рессора внутренняя

1

0,400

2,5 x106

  1.  Оценка функциональных опасностей системы (FHA)

В данном разделе представляются оценки функциональных опасностей узла КВД в соответствии с перечнем её отказных состояний и предъявляемым к ней требованиям по степени опасности и уровню безопасности.

Результаты Оценки Функциональных Опасностей узла  в соответствии с перечнем отказных состояний двигателя и предъявляемым к ней требованиям по степени опасности и уровню безопасности, представляются в типовой таблице Н.1 (см. приложение Н).

Узел КВД достаточно сложен и при эксплуатации любая неисправность не может быть устранена в течении 15 минут и привести к задержке вылета. Таким образом, вид отказного состояния, приведший к задержке вылета, не рассматривается.

  1.  Анализ видов и последствий отказов
    1.  Методика

Анализ видов отказов системы осуществлен с использованием методики FMEA "снизу – вверх", от уровня компонентов до уровня системы. При этом, критичность отказов определена на уровне самолета.

Анализ выполнен для системы Маршевой силовой установки, в соответствии с описанием конфигурации системы, а также в соответствии с логикой распространения отказа компонента системы до уровня самой системы.

Результаты оценки FMEA представлены в приложении Н, таблице Н.2.

  1.  Результаты анализа FMEA маршевой силовой установки

В анализе FMEA использовались следующие условные обозначения уровней критичности отказов:

                                                                              Таблица 21

Уровни критичности отказов

Условное обозначение

Степень критичности

Описание степени критичности

I

КС

Катастрофическая ситуация

II

АС

Аварийная ситуация

III

СС

Сложная ситуация

IV

УУП

Усложнение условий полёта

V

БП

Без последствий

В процессе анализа FMEA для узла КВД перспективного двигателя были систематизированы все возможные виды отказов системы.

‒ Не обнаружено единичных отказов, приводящий к последствиям, относящимся к категории опасности I (KC):

‒ Не обнаружено единичных отказов, приводящий к последствиям, относящимся к категории опасности II (AC):

‒ Обнаружено    19  единичных отказов, приводящих к последствиям, относящимся к категории опасности CC (CC).

‒ Обнаружено    24  единичных отказа, приводящих к последствиям, относящимся к категории опасности УУП (УУП).

  1.  Суммарный анализ видов отказов компонентов двигателя (FMES)

FMES – это суммарный анализ видов отказов компонентов системы и их последствий, в которой суммируются вероятности потенциальных видов отказов приводящих к одинаковым последствиям (End Effects).

В таблице 22 представлен  FMES анализ для Маршевой Силовой установки, основанный на данных из FMECA.

Таблица  22

«FMES (Суммирующая FMEA) узла МСУ»

Последствия отказного состояния

Расчётная вероятность отказа, осреднённая на один час полёта

Предварительная оценка степени опасности

1

Выключение двигателя

1,65 x10-3

СС

       2

Понижение режима работы двигателя

8,37x10-4

УУП

       3

Течь масла

1,00 x10-6

УУП

  1.  Анализ деревьев отказов (FTA)
    1.  Методика выполнения анализа

Анализ деревьев отказов (FTA) демонстрирует, каким образом выбранная архитектура системы отвечает требованиям безопасности установленными в FНA. Систематизирует единичные и общие причины отказов, а также влияние внешних событий на отказобезопасность системы.

Деревья отказов построены для каждого отказного события, которое должно быть подтверждено количественной оценкой.

Деревья отказов представляет собой графическое описание логических взаимосвязей между отказными событиями для различных функций или компонентов.

Вершина дерева представляет собой анализируемое отказное состояние.

Построение дерева достигается поиском ближайших причин, вызывающих вышестоящее события. Эти причины в свою очередь сами являются промежуточными событиями, которые вызываются рядом причин. Этот процесс повторяется до достижения базовых событий - элементарных видов отказов, для которых определены интенсивности отказов из FMEA. Таким образом, каждое событие является комбинацией событий нижеследующего уровня, объединённых логическими элементами "И" или "ИЛИ".

Основой построения дерева отказов является символьное представление существующих в двигателе условий или событий, способных вызвать отказ.

  1.  Базовые события

В качестве базовых событий в деревьях отказов были использованы виды отказов, рассмотренные в анализе FMECA . Деревья отказов построены для каждого отказного события, которое должно быть подтверждено количественной оценкой.

В качестве базового события при  рассмотрении титанового пожара  в компрессоре рассмотрен случай вероятности  попадания титановых фрагментов в зону трения  между ротором и статором, который может привести в воспламенению. Такой случай теоретически возможен, но на практике не встречался.

  1.  Внешние события

В качестве внешних событий в деревьях отказов рассмотрен случай раскрутки ротора со значительным превышением оборотов, при котором   энергии обломков лопатки будет достаточно для пробития корпусов, приводящий к разрушению.

Обломки, в случае поломки каких – либо частей ротора, должны обладать большой кинетической энергией, чтобы пробить внутренний контур и привести к нелокализованному разрушению. Такой случай возможен только при сильном увеличении центробежной силы за счет повышения оборотов ротора.

Масляный пожар может быть локализован системой пожаротушения, но при ее отказе может привести к нелокализованному пожару, поэтому в качестве внешнего события рассматривается отказ системы пожаротушения.

Случай попадания титановых фрагментов в зону трения между ротором и статором и раскрутке ротора теоретически возможен, но практически не встречался.  Поэтому в деревьях отказа эти случаи рассматривается с вероятностью в половину меньше единичного отказа на 2,5 млн.ч.  как  0,2 x10-6 и 1,2 x10-6   исходя из случаев отказов.

Таблица 23

Перечень событий

Система
     (источник сигнала)

Описание    

              события

Вероятность события
(на час полёта)

Источник

       Сигнал Повышение    

                оборотов

Увеличение оборотов ротора

    1,2 x10-6

Опыт.экспл. гражд.двигателей

Сигнал ”Повышенные вибрации ”

Попадание титановых частиц в зону трения.

      0,2 x10-6

Опыт.экспл.

гражд.двигателей

Сигнал Пожар в двигателе

Отказ системы пожаротушения.

      1,03 x10-9

Опыт.экспл.

гражд.двигателей

5.7.3.1 Нелокализованный пожар в узле КВД возможен в случае развития масляного или титанового пожара. Титановый пожар рассмотрен в случае обрыва элементов газовоздушного тракта  и появления титановых частиц в зоне трения между статором и ротором.  Нелокализованный масляный пожар может произойти в случае поломки деталей опоры с разрушением магистрали подачи масла и попаданием в эту зону воздуха в сочетании с отказом системы пожаротушения. (Рисунок Н.1) приложения Н.

5.7.3.2 Нелокализованное разрушение может произойти при разрушении в узле КВД рабочих деталей как ротора, так и статора. В частности, поломки лабиринта, поломки лопаток вследствие  попадания постороннего предмета в проточную часть или развития дефектов при эксплуатации. Данные поломки с появлением частиц или элементов в сочетании с сильной раскруткой ротора могут привести к пробитию корпуса КВД и привести нелокализованному разрушению узла.  (Рисунок Н.2) приложения Н.

5.7.3.3  Выключение двигателя возможно  в случае нескольких отказов. К таким случаям относятся выключение из-за повышенной вибрации, в случае непрекращающегося появления стружки в масле, а также вследствие помпажа. К повышению вибрации может привести поломка шарикоподшипника в опоре, а также  поломка деталей в роторе, приводящих к увеличению дисбаланса. Стружка в масле может появится по причине увеличения нагрузки на подшипник и выработки стружки в обоймах, вследствие повреждения лабиринта КВД, отвечающего за уплотнения в разгрузочной полости. Помпаж может быть вызван причиной работы компрессора на нерасчетном  режиме  из-за поломок элементов механизации или лопаток.  (Рисунок Н.3).

5.7.3.4  Отказы, приводящие к посещению цеха для ремонта могут быть вызваны достаточно сильными поломками, не возможными для устранения без разборки и доработки или замены деталей у производителя. Среди таких дефектов могут быть поломка элементов газовоздушного тракта при осмотре, наличие вибрации из-за поломок опоры или увеличения дисбаланса ротора, серьезные поломки механизации, трещины в корпусных деталях, а также при частой стружке в масле (Рисунок Н.4).

5.7.3.5 К отказам, устраняемым в эксплуатации, относятся дефекты, которые возможно устранить непосредственно службами поддержки заказчика, не снимая двигатель с крыла и отправляя узел на завод. К таким поломкам может относится незначительная деформация перьев лопаток с последующей зачисткой и неисправности в механизации регулирования направляющих аппаратов с ремонтом между вылетами (Рисунок Н.5).

Данные деревья отказов представлены при расчетом времени полета 1 час.

  1.  Результаты анализа функциональных опасностей FTA

Результаты анализа функциональных опасностей (FTA) для узла КВД представлены в таблице 24.

Таблица 24

Результаты анализа функциональных опасностей FTA

(Шифр)

Номер

Функцио-нального отказа

Наименование (вид) функционального отказа

Фаза полета

Предвари-тельная оценка степени опасности

Расчётная вероятность отказа на один час полёта

Расчётная вероятность отказа на 2ч

1

Нелокализованный пожар

Все

КС

1.15 x10-18

4.61x10-18

2

Нелокализованное разрушение

Все

КС

6.96 x10-12

2.02x10-11

3

Отказы, приводящие к выключению двигателя

Все

УУП

4.9x10-6

9.97x10-6

4

Отказы, приводящие к посещению цеха для ремонта

Все

-

9.79 x10-6

1.64x10-5

5

Неисправность, выявленная на земле и в полете и устраненная в эксплуатации

Все

-

5.96 x10-6

1.19x10-5

  1.  Выводы о соответствии системы требованиям сертификационного базиса

1. В процессе анализа безотказности узла КВД выявлены возможные виды отказов системы и определены наиболее вероятные причины их возникновения.

2. Исходные данные для анализа и расчета были получены по результатам испытаний, эксплуатации двигателей ПС-90А, прототипов (статистика эксплуатации, данные справочной литературы и т.п).

3. Система спроектирована таким образом, что:

‒ Отсутствуют отказные ситуации, вызванные единичными отказами узла КВД, приводящие к возникновению катастрофической ситуации, что соответствует требованиям [13] сертификационного базиса.

‒ Отсутствуют отказные ситуации, вызванные единичными отказами узла КВД, приводящие к  возникновению аварийной ситуации, что соответствует требованиям [13] сертификационного базиса.

‒ Любое отказное состояние узла КВД (функциональный отказ, вид отказа системы), приводящее к  сложной  ситуации, оценивается как событие не более частое, чем маловероятное(<10-5), что соответствует [13] сертификационного базиса.

4. Предусмотрена предупреждающая сигнализация, которая информирует экипаж об опасных условиях работы и позволяет экипажу предпринимать меры по парированию отказов маршевой силовой установки/ двигателя.

5. По результатам расчета показателей безотказности узла КВД с учетом отказов взаимодействующих систем:

‒ Суммарная расчетная вероятность возникновения сложной ситуации

4,37×10-61/час;

‒ Суммарная расчетная вероятность возникновения усложнения условий полета 10,8×10-6 1/час.

Проведенный анализ показывает, что предварительные вероятности возникновения функциональных опасностей соответствуют предъявленным требованиям надежности и отказобезопасности.

Вывод анализа надежности и отказобезопасности КВД

Нет единичных отказов, приводящих к отказным состояниям со степенью  опасности КС и АС;

Катастрофические и аварийные ситуации возникают в результате сочетания двух и более независимых последовательных отказов в различных системах и являются событиями практически невероятными;

Сводные данные по отказобезопасности КВД приведены в таблице Н.3, на рисунке Н.6, приложения Н. Из приложения Н следует, что отказом с наибольшей вероятностью возникновения (5,94Е-06 (на час полета)) является незначительная поломка элементов газовоздушного тракта (№14). Отказом с наименьшей вероятностью возникновения (2,11Е-27 (на час полета)) – масляный пожар (№1), приводящий к возникновению нелокализованного пожара. 


Выводы

В результате газодинамического расчета определены параметры КВД ТРДД с тягой 140 кН. КВД восьмиступенчатый со сверхзвуковой первой ступенью и степенью повышения полного давления 16,84. Расход через КВД 53,32 кг/с. Частота вращения ротора КВД 15387 об/мин. Анализ значений параметра  показывает большую нагруженность центробежными силами рабочих лопаток первой ступени, поэтому необходимо применить более высокопрочные материалы для лопаток и диска этой ступени, с учетом рабочей температуры лопаток первой ступени ,например титановый сплав ВТ8-1. Остальные ступени имеют достаточный запас по этому параметру.

Так как узел получился очень нагруженный особенно первые ступени, где углы поворота в лопатках РК и НА свыше , а в первой ступени выше допустимого -  возможны отрывы потока со спинок лопаток и следовательно низкий запас газодинамической устойчивости. Для повышения ГДУ необходимо сделать поворотными НА первых 2 ступеней, в том числе и ВНА. Так же возможными мерами могут быть увеличение густоты решетки первых ступеней (но возможно снижение их КПД).

В ходе выполнения специальной части дипломного проекта была разработана конструкция КВД с гладкой проточной частью. Была подробно проработана конструкция ротора и статора, решены задачи отборов воздуха, управления радиальными зазорами, уплотнения газовоздушного тракта и масляных полостей.

Выполнены расчеты на статическую прочность рабочей лопатки 2-й ступени, промежуточного диска, произведен расчет рабочей лопатки 2-й ступени КВД на колебания, а также произведен расчет на прочность хвостовика крепления НА 1-й ступени КВД.

При расчете на статическую прочность лопатки были оценены напряжения в характерных точках пера лопатки. В данном расчете значение коэффициента запаса в корневом сечении на входной кромке составляет К=4,28. Из опыта эксплуатации этот коэффициент должен быть более К=2,1,  то есть, лопатка удовлетворяет условиям прочности и корректировки её геометрии не требуется.

При расчете на статическую прочность диска были вычислены коэффициенты запаса прочности по 11 сечениям. Значение коэффициента запаса по разрушающей частоте вращения должно быть не менее Кb=1,35. Минимальное значение коэффициента запаса прочности в ступице диска достигает значения Кb=1,635, на радиусе R=92 мм. Работоспособность диска находится выше нижней границы допустимого значения, поэтому необходимость в корректировке не трубуется.

При расчете рабочей лопатки на колебания была вычислена собственная частота колебаний лопатки fс =1488 Гц, которая с увеличением частоты вращения ротора увеличивается. Результат резонансной диаграммы показал, что в диапазоне рабочих режимов резонанса не возникает. В случае возникновения резонанса в диапазоне рабочих оборотов необходимо производить отстройку лопатки, которая достигается: изменением геометрии лопатки, расположением лопаток НА с разным шагом, изменением частоты собственных колебаний лопатки или изменением частоты возбуждающей силы, снижением амплитудных значений возбуждающих сил при помощи увеличения осевых зазоров между лопатками рабочих колес и неподвижных аппаратов.

При расчете крепления НА 1-й ступени были вычислены максимальные напряжения изгиба от газодинамических сил, в опасном сечении напряжения изгиба достигают максимального значения и составляют . В данном расчете значение коэффициента запаса в опасном сечении составляет . Из опыта эксплуатации этот коэффициент должен быть более К=2,1,  то есть, лопатка удовлетворяет условиям прочности и корректировки её геометрии не требуется.

В ходе выполнения технологической части дипломного проекта был решен круг задач, определяющий разработку технологического процесса изготовления рабочего колеса 1-й ступени КВД – от определения типа производства до технологической проработки эскизного маршрута. Определены условия производства, произведен расчет припусков для обработки двух торцевых поверхностей, образующих размер 180-0,1. В ходе этого расчета были определены оптимальные режимы резания для фрезерной операции с ЧПУ, такие как подача, скорость резания, частота вращения шпинделя станка.

В результате выполнения экономической части дипломного проекта была рассчитана себестоимость затрат на проектирование промежуточного диска, которая составила  3764069,1 руб. Анализируя результаты видно, что наибольшая доля от общей себестоимости приходится на этап технического проекта (20%), и на этап испытаний (23,9%). Наименьшая доля от общей себестоимости приходится на этап технического предложения (5,8%).

В ходе выполнения раздела по безопасности жизнедеятельности была проведена оценка безопасности жизнедеятельности пассажиров самолета путем анализа надежности и отказобезопасности КВД. В результате анализа выявлено следующее:

‒ Нет единичных отказов, приводящих к отказным состояниям со степенью  опасности КС и АС;

‒ Катастрофические и аварийные ситуации возникают в результате сочетания двух и более независимых последовательных отказов в различных системах и являются событиями практически невероятными;

‒ Отказом с наибольшей вероятностью возникновения (5,94Е-06 (на час полета)) является незначительная поломка элементов газовоздушного тракта (№14). Отказом с наименьшей вероятностью возникновения (2,11Е-27 (на час полета)) – масляный пожар (№1), приводящий к возникновению нелокализованного пожара.


Заключение

По результатам выполнения дипломного проекта можно сказать, что все цели, поставленные в начале работы, выполнены, а именно:

Разработана конструкция КВД с гладкой проточной частью;

Разработке конструкции КВД предшествовал этап газодинамического расчета, в ходе выполнения которого определена проточная часть КВД и рассчитаны основные параметры узла;

Выполнены расчеты на прочность рабочей лопатки 2-й ступени, промежуточного диска и хвостовика НА 1-й ступени КВД. Все элементы удовлетворяют условиям прочности.

Разработан технологический процесс изготовления рабочего колеса 1-й ступени КВД;

‒ Проведены расчеты режимов резания и норм времени для фрезерной операции с ЧПУ изготовления РК 1-й ступени КВД;

‒ Рассчитана себестоимость проектирования промежуточного диска КВД, определены возможные мероприятия ее снижения;

‒ Проведена оценка безопасности жизнедеятельности пассажиров самолета путем анализа надежности и отказобезопасности КВД.

Дальнейшие изучения, касающиеся модернизации данного узла необходимо проводить с более высокой точностью, и как следствие, с применением более сложных методик расчета и современных программных продуктов.

По результатам выполнения дипломного проекта можно сказать, что спроектированный КВД является работоспособным. Размеры и основные параметры спроектированного компрессора при дальнейшей проработке делают возможным его использование в составе двигателя тягой 140 кН.

Список литературы

  1.  Иноземцев А. А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб./ А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. – М.: Машиностроение, 2008. – Т. 2. – 368 с.; ил. – (Серия:Газотурбинные двигатели).
  2.  Иноземцев А. А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб./ А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. – М.: Машиностроение, 2008. – Т. 2. – 227 с.; ил. – (Серия:Газотурбинные двигатели).
  3.  Конструкция наземных газотурбинных установок: метод.указания к выполнению курсового проекта/сост. Л. В. Воронов. – Пермь : Изд-во ПГТУ, 2007. – 42 с.
  4.  «Методические указания по расчету многоступенчатого осевого компрессора при курсовом и дипломном проектировании». Пермь – 1981г.
  5. Писаренко Г.С. Справочник по сопротивлению материалов. ‒ 2-е изд., ‒ Киев: Наук. Думка, 1988.
  6. Горбацевич А.Ф. Курсовое проектирование по технологии машиностроения. – Мн.: Вышэйшая школа, 1983.
  7. Гуревич Я.Л. Режимы резания труднообрабатываемых материалов. Справочник. – М.: Машиностроение, 1986.
  8. Косилова А.Г. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. – М.: Машиностроение, 1985.
  9. Сулима А.М. Основы технологии производства газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 1996.
  10. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением. В 2 ч. – М.: Экономика, 1990.
  11. Саркисян С.А., Старик Д.Е. Экономика авиационной промышленности. – М.: Высшая школа, 1985. – 187 с.
  12.  ДВИГАТЕЛЬ ПД-14. Предварительная оценка надёжности и отказобезопасности узла КВД. Технический отчёт № 51027 – ОАО «Авиадвигатель», 2011. – 74 с.
  13.  Авиационные правила. Часть 33. Нормы летной годности воздушных судов. ‒ ОАО «Авиадвигатель», 2004. – 46 с.
  14.  Certification Specifications for Engines.  ‒ ОАО «Авиадвигатель», 2010. – 68 с.
  15.  ДВИГАТЕЛЬ ПД-14. Распределение требований к уровням показателей надежности узлов и систем на семейство двигателей для БСМС. Технический акт № 50593 – ОАО «Авиадвигатель», 2012. – 14 с.
  16.  Техническое задание на двигатель для семейства БСМС. ‒ ОАО «Авиадвигатель», 2012. – 41 с.


Приложение А

Конструктивная схема двигателя ПД-14.


Приложение Б

Конструктивная схема двигателя PW1000G


Приложение В

Конструктивная схема двигателя RB-282

 

Приложение Г

Конструктивная схема ПС-90А2


Приложение Д

Проточная часть разрабатываемого КВД


Приложение Е

Таблица Е.1

РЕЗУЛЬТАТЫ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ УЗЛА

Результаты расчета параметров потока воздуха и кинематических параметров компрессора, результаты предварительного определения размеров проточной части компрессора

Параметр

ВНА

1

2

3

4

5

6

7

8

к

Lст

Дж/кг

90706,5

86507,1

82307,8

78108,4

7309

7309

67190

60471

Lк

Дж/кг

537527,54

0,98

0,825

0,86

0,886

0,895

0,905

0,9

0,89

0,888

К

361,9

361,9

447,8

529,8

607,8

681,8

751,8

821,9

885,5

942,8

К

361,9

447,8

529,8

607,8

681,8

751,8

821,9

885,5

942,8

0,990

1,921

1,705

1,564

1,459

1,383

1,341

1,275

1,224

1

21,42

x

0,970363955

коррек

0,990

1,864

1,654

1,518

1,415

1,342

1,302

1,238

1,188

1

коррек

16,84

коррек

Дж/кг

86160,5

80502,5

75007,7

69590,4

64326,9

63070,2

55473,3

48046,0

коррек

К

361,9

361,9

443,5

519,8

590,9

656,8

717,8

777,5

830,1

875,6

корекк

К

361,9

443,5

519,8

590,9

656,8

717,8

777,5

830,1

875,6

Па

207727,0

205649,7

383356,7

634146,7

962483,9

1362241,2

1828298,0

2379880,6

2945384,5

3498122,7

Продолжение таблицы Е.1

Па

383356,7

634146,7

962483,9

1362241,2

1828298,0

2379880,6

2945384,5

3498122,7

Па

205649,7

387229,0

640552,2

972206,0

1376001,2

1846765,7

2403919,8

2975135,9

3533457,3

с1a

м/с

161,6

189,1

240

239

238

226

211

196

181

166

град

90

66,63

66,52

66

66,23

63,8

61,91

57,29

53,23

90

0,466

0,594

0,681

0,629

0,587

0,538

0,489

0,458

0,430

0,308

q()

0,6711

0,8059

0,8794

0,8376

0,7992

0,7518

0,6983

0,6620

0,6283

0,4672

F

м2

0,18660

0,17099

0,09313

0,06425

0,04722

0,03813

0,03252

0,02876

0,02658

0,02476

0,6139

м

0,03540

0,05730

0,07480

0,09200

0,09790

0,10160

0,10440

0,10560

0,10640

м

0,6175

0,5821

0,5602

0,5427

0,5255

0,5196

0,5159

0,5131

0,5119

0,5111

м

0,3087

0,2910

0,2801

0,2713

0,2627

0,2598

0,2579

0,2565

0,2559

0,2555

м

0,3791

0,3480

0,4418

0,4612

0,4648

0,4705

0,4740

0,4761

0,4777

0,4792

м

0,1895

0,1740

0,2209

0,2306

0,2324

0,2353

0,2370

0,2380

0,2388

0,2396

м

0,5123

0,4795

0,5045

0,5036

0,4960

0,4957

0,4954

0,4949

0,4951

0,4954

м

0,2562

0,2398

0,2522

0,2518

0,2480

0,2478

0,2477

0,2475

0,2475

0,2477

h

м

0,1192

0,1170

0,0592

0,0407

0,0304

0,0245

0,0209

0,0185

0,0171

0,0159

4

4

9

12

16

20

24

26

28

30

h/S

1,84

1,37

1,36

1,41

1,53

1,49

1,42

1,15

1,11

м

0,0854

0,0435

0,0289

0,0198

0,0165

0,0147

0,0161

0,0154

Продолжение таблицы Е.1

0,617

0,76

0,9

0,948

1,056

1,13

0,83

1,7

м

0,0648

0,0527

0,0331

0,0260

0,0188

0,0174

0,0166

0,0134

0,0262

0,19

0,3

0,37

0,4

0,35

0,22

0,15

0,58

м

0,016

0,013

0,011

0,008

0,006

0,003

0,002

0,009

0,54

0,19

0,33

0,42

0,45

0,38

0,53

0,55

м

0,035

0,010

0,011

0,011

0,008

0,007

0,009

0,007

1,38

0,79

1,16

1,52

3,32

5,20

4,80

4,65

мм

1,615

0,467

0,473

0,461

0,814

1,088

0,889

0,795

n

1/c

15389,6

40,49

22,06

15,22

11,18

9,03

7,70

6,81

6,29

м

0,016

0,013

0,011

0,008

0,006

0,003

0,002

0,009

м

0,035

0,010

0,011

0,011

0,008

0,007

0,009

0,007

0,035

uср1

м/с

386,41

406,51

405,79

399,72

399,41

399,19

398,80

398,93

Hт

0,577

0,487

0,456

0,436

0,403

0,396

0,349

0,302

0,5

0,5

0,51

0,52

0,52

0,52

0,51

0,51

м/с

81,72

104,24

106,41

104,81

111,19

112,62

125,86

135,26

м/с

304,69

302,27

299,37

294,90

288,22

286,58

272,94

263,67

град

31,83

38,45

38,6

38,91

38,1

36,36

35,68

34,47

Продолжение таблицы Е.1

1,03

0,964

0,890

0,83

0,764

0,712

0,649

0,6

м/с

365,96

400,23

430,35

456,59

479,13

499,64

517,50

533,03

К

402,7

481,7

556,9

626,9

690,3

750,7

805,3

854,4

м

0,4920

0,5040

0,4998

0,4959

0,4955

0,4952

0,4950

0,4952

uср2

м/с

396,46

406,15

402,75

399,56

399,30

399,00

398,86

399,07

м/с

296,97

302,54

293,45

279,02

272,31

270,74

264,92

255,61

м/с

214,55

239,5

238,5

232

218,5

203,5

188,5

173,5

м/с

99,49

103,61

109,3

120,54

126,98

128,25

133,95

143,46

град

65,12

66,61

65,38

62,55

59,84

57,78

54,6

50,41

град

90

35,85

38,37

39,10

39,74

38,74

36,93

35,43

34,17

0,951

0,923

0,850

0,774

0,712

0,664

0,617

0,571

м/с

385,4

417,23

444,84

469

490,28

510,28

527,25

541,51

33,3

28,16

26,78

23,64

21,74

21,42

18,92

15,95

(b/t)РК

33,3

28,2

26,8

23,6

21,7

21,4

18,9

15,9

166921,06

290524,27

501262,20

785248,04

1148160,51

1588678,64

2105065,32

2644040,04

217942,56

372436,20

617158,52

946439,77

1346211,16

1826920,64

2347026,96

2882792,51

341,64

410,85

487,14

558,60

626,53

690,46

751,63

805,72

379,90

449,22

523,09

594,39

659,98

723,14

779,97

830,37

-23,4

30,68

27,63

27,13

24,06

23,17

20,36

17,80

55,83


Приложение Ж

Конструкция разработанного КВД с гладкой проточной частью


Приложение З

Профилирование лопатки по трем сечениям


Приложение И

Геометрические параметры лопатки 2-й ступени КВД

Рис. И.1. Изменение максимальной толщины по высоте лопатки

Рис. И.2. изменение максимального прогиба по высоте лопатки

Рис. И.3. Изменение угла установки по высоте лопатки

Рис. И.4. Изменение хорды по высоте лопатки


Приложение К

Схематичное изображение промежуточного диска.


Приложение Л

Рис. Л.1 Построение резонансной диаграммы


Приложение М

Таблица М.1

Результаты расчета себестоимости проектирования промежуточного диска КВД

№ этапа

Наименование этапов работ

Трудоемкость, чел./мес.

Трудоемкость, н/ч

Материальные затраты, электроэнергия, руб.

ГСМ, руб.

Основной фонд оплаты труда, руб.

Дополнительный фонд оплаты труда, 20%, руб.

Отчисления от фонда оплаты труда, 26,2%, руб.

Накладные расходы, 288,5%, руб.

Себестоимость, руб.

1

1. Техническое предложение (аванпроект)

Предварительный аэродинамический расчет

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Предварительная компоновка промежуточного диска

0,25

 

 

 

7125

1425

2240,1

20555,6

 

Экспертиза, выдача заключения

0,5

 

 

 

14250

2850

4480,2

41111,3

 

Итого по этапу

1,75

 

 

 

49875

9975

15680,7

143889,4

219420,1

2

2. Эскизное проектирование

Аэродинамический расчет  2D, 3D

2

 

 

 

57000

11400

17920,8

164445

 

Эскизная компоновка

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Тепловой расчет

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Расчет промежуточного диска на прочность

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Экспертиза, выдачаз аключения

0,5

 

 

 

14250

2850

4480,2

41111,25

 

 

Итого по этапу

5,5

 

 

 

156750

31350

49282,2

452223,75

689606

Продолжение таблицы М.1

№ этапа

Наименование этапов работ

Трудоемкость, чел./мес.

Трудоемкость, н/ч

Материальные затраты, электроэнергия, руб.

ГСМ, руб.

Основной фонд оплаты труда, руб.

Дополнительный фонд оплаты труда, 20%, руб.

Отчисления от фонда оплаты труда, 26,2%, руб.

Накладные расходы, 288,5%, руб.

Себестоимость, руб.

3

3. Технический проект

Уточненный аэродинамический расчет

2

 

 

 

57000

11400

17920,8

164445

 

Уточненный тепловой расчет

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

  Уточненный прочностной расчет

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Выпуск рабочей компоновки

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Выпуск рабочего чертежа (КД)

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Итого по этапу

6

 

 

 

171000

34200

53762,4

493335

752297,4

4

4. Подготовка производства и изготовление ДСЕ

Выпуск технологической документации

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Изготовление ДСЕ

2

331,2

201600

 

56999,5

11399,9

17920,6

164443,6

 

Итого по этапу

3

331,2

201600

 

85499,5

17099,9

26881,0

246666,1

577746,6


Продолжение таблицы М.1

№ этапа

Наименование этапов работ

Трудоемкость, чел./мес.

Трудоемкость, н/ч

Материальные затраты, электроэнергия, руб.

ГСМ, руб.

Основной фонд оплаты труда, руб.

Дополнительный фонд оплаты труда, 20%, руб.

Отчисления от фонда оплаты труда, 26,2%, руб.

Накладные расходы, 288,5%, руб.

Себестоимость, руб.

5

5. Подготовка к испытаниям

Создание программы испытаний

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Выпуск схемы препарирования

0,5

 

 

 

14250

2850

4480,2

41111,25

 

Выпуск комплекта конструкторской документации

0,5

 

 

 

14250

2850

4480,2

41111,25

 

Выпуск комплекта технологической документации

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Выпуск документации на оснащение стенда

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Доработка ДСЕ под препарирование

1

165,6

 

 

28499,8

5700,0

8960,3

82221,8

 

Итого по этапу

5

165,6

 

 

142500,0

28500,0

44802,0

411112,5

626914,5

6

 

6. Испытания

Сборка и постановка на испытательный стенд

3

496,8

 

 

85499,3

17099,9

26881,0

246665,4

 

Проведение испытаний

1,5

248,4

6909

13500

42749,6

8549,9

13440,5

123332,7

 


Продолжение таблицы М.1

№ этапа

Наименование этапов работ

Трудоемкость, чел./мес.

Трудоемкость, н/ч

Материальные затраты, электроэнергия, руб.

ГСМ, руб.

Основной фонд оплаты труда, руб.

Дополнительный фонд оплаты труда, 20%, руб.

Отчисления от фонда оплаты труда, 26,2%, руб.

Накладные расходы, 288,5%, руб.

Себестоимость, руб.

6

Обработка и анализ результатов испытаний

1,5

 

 

 

42750

8550

13440,6

123333,75

 

Выпуск отчета

1

 

 

 

28500

5700

8960,4

82222,5

 

Итого по этапу

7

745,2

6909

13500

199498,9

39899,8

62722,5

575554,4

898084,5

 

ИТОГО

 

 

 

 

805123,4

161024,7

253130,8

2322781,1

3764069,1


Таблица М.2

Распределение себестоимости проектирования по этапам

Этап

Величина себестоимости

Доля от общей себестоимости в %

1. Техническое предложение (аванпроект)

219420,1

5,8

2. Эскизное проектирование

689606

18,3

3. Технический проект

752297,4

20,0

4. Подготовка производства и изготовление ДСЕ

577746,6

15,3

5. Подготовка к испытаниям

626914,5

16,7

6. Испытания

898084,5

23,9


Рис. М.1 – Структура затрат на проектирование промежуточного диска КВД


Приложение Н

                                                                                                                                                                                       Таблица  Н.1

Оценка функциональных отказов

Функция

Описание отказного состояния

Возможные причины отказа

Последствия отказа

Степень опасности по этапам полета

Требуемый уровень безопасности на час полета

 

 Обоснование

Компрессор высокого давления

Двигатель- Создание тяги

Отказы,вызывающие невыполнение функции создания тяги  и  приводящие  к необходимости  выключения одного двигателя  в полете.

УУП,

Взлет - КС

< 5  10-6

[15]

ДА

КВД – Сжатие воздуха для обеспечения воздухом КС. Воздух на нужды двигателя.

1.Отказы, вызывающие невыполнения функции требуемого сжатия воздуха, расчетного потока и отборов воздуха

Уменьшение тяги. Выключение двигателя. Попадание некачественного воздуха в салон самолета.

  УУП,          Взлет - КС

Опыт экспл. гражданских двигателей

1.1 Поломка лопаток ГВТ

Попадание постороннего предмета в проточную часть. Производственный дефект в лопатке.

Помпаж, Повышенные вибрации. Выключение двигателя.

УУП,          Взлет - КС

Опыт экспл. гражданских двигателей

1.2  Заброс Тк перед КС

Поломка элементов механизации, лопаток направляющих аппаратов.

Уменьшение тяги двигателя вследствие уменьшения подачи топлива в КС, чтобы снизить Тг.

        УУП

Опыт экспл. гражданских двигателей

Продолжение таблицы Н.1

1.3 Вибрации

Выкрашивание обоймы шарикоподшипника, поломка рессоры.

Выключение двигателя. Снижение тяги самолета.

УУП,          Взлет - КС

Опыт экспл. гражданских двигателей

1.4  Перегрев  опоры

Снижение подачи масла, повреждение масляной магистрали. Утечка масла из-за повреждения лабиринта уплотнения.

Снижение оборотов. Сигнал стружка в масле. Уменьшение тяги самолета.

      УУП

Опыт экспл. гражданских двигателей

1.5 Нелокализованный пожар

Попадание титановых фрагментом в зону трения, вызвавших титановый пожар. Попадание масла в зону трения с подачей воздуха.

Выключение двигателя. Снижение тяги самолета.

КС

110-9

[13], [14]

Дерево отказов, рис.А3

1.6. Нелокализованное разрушение

Вылет обломков с высокой энергией при поломке лопаток в сочетании с  раскруткой ротора.

Вылет обломков в наружный контур. Отключение двигателя.Уменьшение тяги самолета.

КС

<110-9

 [13], [14]

Дерево отказов, рис.А4


Таблица  Н.2

Отчет FMEA

Проект: Двигатель;

Наименование Агрегата: КВД

                                 

Информация об элементе

                    

Описание отказного состояния

Вероятность возникновения отказа (x10-6)

Эффект водействия отказного состояния на систему

Конечный эффект на уровне двигателя

Критичность отказного состояния

Причины отказа

IDN:1.1.4

1 Трещины в корпусе

0,200

Повышение Тк перед

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Корпус ВНА

КС

работы двигателя

дефект

IDN:1.1.5

1 Трещины в корпусе

0,200

Повышение Тк перед

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Корпус НА 1,2,3 ст.

КС

работы двигателя

дефект

IDN:1.1.6

1 Трещины в кольце

1,200

Повышение Тк перед

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольца рабочие с 1 по 8 ст. КВД

КС

работы двигателя

дефект

IDN:1.1.8

1 Трещины в кольце

0,800

Повышение Тк перед

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольцо НА с 4 по 7 ст. КВД

КС

работы двигателя

дефект

IDN:1.1.16

1 Щели в местах

0,200

Срыв потока.

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольцо СА верхнее

пайки

Увеличение Тк перед

работы двигателя

дефект

КС

IDN:1.1.17

1 Щели в местах

0,200

Увеличение Тк перед

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольцо СА нижнее

пайки

КС

работы двигателя

дефект

IDN:1.1.18

1 Трещины в корпусе

0,200

Повышение Тк перед

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Корпус КВД средний

КС

работы двигателя

дефект

IDN:1.1.19

1 Трещины в корпусе

0,200

Срыв потока.

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Корпус отбора

Увеличение Тк перед

работы двигателя

дефект

КС

IDN:1.1.20

1 Трещины в кольце

0,200

Повышение Тк перед

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольцо внутреннее стойки ВНА

КС

работы двигателя

дефект

IDN:1.1.21

1 Трещины в кольце

0,200

Срыв потока. Выход

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольцо ВНА внутреннее

на нерасчетный

работы двигателя

дефект

переднее

режим.

Продолжение таблицы Н.2

                                 

Информация об элементе

                    

Описание отказного состояния

Вероятность возникновения отказа (x10-6)

Эффект водействия отказного состояния на систему

Конечный эффект на уровне двигателя

Критичность отказного состояния

Причины отказа

IDN:1.1.22

1 Трещина в кольце

0,200

Срыв потока. Выход

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольцо ВНА внутреннее

на нерасчетный

работы двигателя

дефект

заднее

режим.

IDN:1.1.23

1 Трещина в кольце

0,200

Перетекание воздуха.

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольцо НА внутреннее

Запирание по

работы двигателя

дефект

переднее

расходу.

Срыв потока. Выход

на нерасчетный режим.

IDN:1.1.24

1 Трещина в кольце

0,200

Срыв потока. Выход

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольцо НА внутреннее

на нерасчетный

работы двигателя

дефект

заднее

режим.

IDN:1.1.25

1 Трещины в кольце

0,200

Срыв потока. Выход на

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Кольцо НА внутреннее

Нерасчетный режим.

работы двигателя

дефект

фиксирующее

Заклинивание элементов

механизации

IDN:1.1.26

1 Поломка стойки из

1,332E-003

Необеспечение

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Стойка ВНА

-за дефекта

равномерности

работы двигателя

дефект

потока на входе

 

Помпаж

Выключение двигателя

III

2 Забоина пера

5,328E-003

Необеспечение

Понижение  режима

IV

Попадание

лопатки

равномерности потока

работы двигателя

постороннего

Помпаж

Выключение двигателя

III

предмета

IDN:1.1.37

1 Поломка лопатки

0,43

Необеспечение

Понижение  режима

IV

Производственный

Name: Лопатки НА с 1 по 8 ст.

из-за дефекта

равномерности потока

работы двигателя

дефект

Помпаж

Выключение двигателя

III

2 Забоина у

1,73

Необеспечение

Понижение  режима

IV

Попадание

периферии лопатки

равномерности потока

работы двигателя

постороннего

Помпаж

Выключение двигателя

III

предмета

Продолжение таблицы Н.2

                                 

Информация об элементе

                    

Описание отказного состояния

Вероятность возникновения отказа (x10-6)

Эффект водействия отказного состояния на систему

Конечный эффект на уровне двигателя

Критичность отказного состояния

Причины отказа

IDN:1.1.38

1 Поломка лабиринта

0,200

Ухудшение

Выключение двигателя

III

Производственный

Name: Лабиринт КВД

уплотнения,доступ

 

дефект

воздуха в масляную

полость.

Нарушение

Течь масла

IV

магистрали подачи

 

воздуха

IDN:1.1.39

1 Поломка в

0,400

Течь масла.

Выключение двигателя

III

Износ

Name: Рессора внутренняя

эксплуатации

 

Понижение режима

IV

работы двигателя

IDN:1.1.2.1

1 Выкрашивание

1,600

Поломка опоры

Выключение двигателя

III

Выкрашивание обоймы

Name: Шарикоподшпник

обоймы

в эксплуатации

Поломка магистрали

Течь масла

IV

подачи масла

 

IDN:1.1.3.1

1 Разрушение диска

1,600

Вылет фрагментов

Выключение двигателя

III

Производственный

Name: Диски с 1 по 8 ст.

диска в ГВТ и в

дефект.Развитие

междисковые полости

трещин в

эксплуатации.

IDN:1.1.3.7

1 Поломка лабиринта

0,200

Ухудшение

Выключение двигателя

III

Производственный

Name: Лабиринт 8 ст.

уплотнения,

дефект

изменение осевой силы.

Увеличение нагрузки на

шарикоподшипник

IDN:1.1.3.8

1 Поломка вала

0,200

Попадание обломков

Выключение двигателя

III

Производственный

Name: Вал КВД

в междисковые

дефект, развитие

полости

трещин в

эксплуатации

IDN:1.1.3.9

1 Поломка цапфы

0,200

Перекрытие канала

Выключение двигателя

III

Проиизводственный

Name: Цапфа КВД

подачи масла на

дефект, развитие

шарикоподшипник,

трещин в

поломка лабиринтов

Течь масла

IV

эксплуатации

Продолжение таблицы Н.2

                                 

Информация об элементе

                    

Описание отказного состояния

Вероятность возникновения отказа (x10-6)

Эффект водействия отказного состояния на систему

Конечный эффект на уровне двигателя

Критичность отказного состояния

Причины отказа

IDN:1.1.3.10

1 Поломка трубы

4,800

Вылет обломков в

Выключение двигателя

III

Производственный

Name: Труба отбора

канал подачи

дефект

воздуха в турбину

IDN:1.1.3.11

1 Поломка кольца

0,200

Уменьшение натяга в

Выключение двигателя

III

Производственный

Name: Кольцо отбора

узле.Выход кольца

дефект, износ в

из зацепления.

эксплуатации.

Необеспечение

равномерности

отбора через ротор.

Вибрации.

IDN:1.1.3.12

1 Поломка кольца

0,200

Выход из зацепления,

Выключение двигателя

III

Износ

Name: Кольцо

 утечка  воздуха,

отбираемого через

ротор.Вибрации.

IDN:1.1.3.13

1 Поломка лопатки

0,64

Заклинивание ротора

Выключение двигателя

III

Производственный

Name: Лопатка с 1 по 8  ст.

из-за дефекта

дефект

2 Забоина у корня

2,56

Заклинивание ротора

Выключение двигателя

III

Попадание

лопатки

постороннего