Расчет надежности и прогнозирование долговечности деталей газотурбинной установки на базе двигателя аи-336-1-10

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра”Безопасность жизнедеятельности и экологии” 

КУРСОВАЯ  РАБОТА НА ТЕМУ:

РАСЧЕТ  НАДЕЖНОСТИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ  ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ  газотурбинной установки НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ АИ-336-1-10 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

надёжность  технических систем и техногенный  риск 
 
 
 
 
 

             ВЫПОЛНИЛ:

     Группа: БТПП-346

     ПРОВЕРИЛ: Тогоев А. И. 
 

     СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                               3

1. Краткое описание  конструкции двигателя       5              

1.1 Краткое описание  конструкции турбины двигателя    5

2. Расчет надежности  лопатки турбины с учетом внезапных  отказов   7

2.1 Нормирование уровня  надежности     14

2.2 Определение среднего  времени безотказной работы в  случае внезапных отказов  16

3. Расчет надежности  лопатки турбины при повторно-статических  нагружениях  18

4. Расчет надежности  деталей с учетом длительной  прочности    23

5. Оценка долговечности  с учетом внезапных и постепенных  отказов      28

Заключение   30

Список использованной литературы   31

газотурбинная установка двигатель

 

      ВВЕДЕНИЕ

Надежность - это один из основных показателей  качества изделия, проявляется во времени  и отражающий изменения, происходящие в двигателе на протяжении всего  периода его эксплуатации. Надежность как свойство изделия закладывается  на этапе проектирования, реализуется  при изготовлении и поддерживается в процессе эксплуатации. Следует  всегда иметь в виду, что качественно  проработанный проект является основой  надежности будущего изделия, и как  сказал А.Н. Туполев: - "Чем дальше от доски конструктора обнаруживается ненадежность, тем дороже она обходится".Поведение  реальных конструкций обусловлено  взаимодействием целого ряда факторов, имеющих явно выраженный случайный  характер. В связи с этим определение  надежности конструкций невозможно без применения методов теории вероятностей и математической статистики.

На основе физики возникновения отказы деталей  двигателя могут быть разбиты  на две группы:

1 .Внезапные  отказы, показывающие характер случайного  выброса:

     -хрупкое  разрушение;

     -превышение  предела текучести, в какой  либо точке детали, для которой  остаточные деформации недопустимы;

     -возникновение  слишком больших упругих деформаций.

     2. Постепенные отказы, возникающие  в результате необратимого накопления  повреждений в детали:

     -пластические  деформации (деформации ползучести);

     -усталостные  повреждения, ведущие к развитию  усталостных трещин.

     Таким образом, при оценке надежности деталей  стационарных двигателей необходимо учитывать, внезапные и постепенные отказы.

     Эти два вида разрушений в первом приближении  можно считать независимыми друг от друга.

     Изложенные  выше допущения позволяют принимать  в качестве основного показателя надежности детали вероятность безотказной  работы (вероятность не разрушения).

ЗАДАНИЕ НА КУРСОУЮ РАБОТУ

     1.Оценить  надежность и долговечность лопатки  первой ступени турбины, спроектированной  в процессе выполнения курсового  проекта по дисциплине «Проектирование  энергоустановок» и «Газотурбинные  установки, компрессорные станции». Двигатель с Gb=68,89 кг/с, Тг =1374К.

     2.Выполнить  расчеты:

1. Расчет надежности лопатки с учетом внезапных отказов.
2. Расчет надежности лопатки при повторно-статическом нагружении.
3. Расчет надежности деталей с учетом длительной прочности.
4. Определение вероятности не разрушения лопатки турбины за время цикла применения в конце выработки ресурса.

     3. Выполнить анализ полученных  результатов. 

 

      1 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ  ДВИГАТЕЛЯ 

     В качестве двигателя-прототипа в  данном проекте выбран газотурбинный  двигатель АИ-336-1-10. Двигатель-прототип выполнен по одновальной схеме. Входное  устройство двигателя осевого типа. Компрессор двигателя – осевой, двухкаскадный, четырнадцатиступенчатый, состоит из околозвукового компрессора  низкого давления (КНД) и дозвукового  компрессора высокого давления (КВД). Камера сгорания − кольцевого типа, предназначена для подогрева  воздуха после сжатия его в  компрессоре за счёт сгорания в ней  топлива и для получения заданной температуры газов на входе в  турбину. Турбина двигателя −  осевая, реактивная, пятиступенчатая.

     Основные  параметры двигателя-прототипа АИ-336-1-10:

     - степень повышения давления в  компрессоре:  =21,55 при 4800 об/мин;

     - температура газа перед турбиной: =1394 К;

     - расход воздуха через двигатель:  =41,9 кг/с;

1. Краткое описание конструкции турбины двигателя

Турбина двигателя − осевая, реактивная, пятиступенчатая, преобразует энергию  газового потока в механическую энергию  вращения компрессоров двигателя, приводов агрегатов и нагнетателя. Турбина  расположена непосредственно за камерой сгорания. К турбине присоединяется диффузорное выходное устройство с  промежуточным поджатием воздуха, которое служит для уменьшения давления за турбиной, т.е. для повышения теплоперепада  на турбине и, соответственно, для  увеличения мощности двигателя. В нашей  силовой установке турбина состоит  из одноступенчатой турбины высокого давления(ТВД), одноступенчатой турбины  низкого давления (ТНД), каждая из которых  включает статор и ротор, и трехступенчатой  свободной турбины, которая состоит  из статора, ротора и корпуса опор ротора свободной турбины. Ротор  ТВД и ротор КВД образуют ротор  высокого давления(ВД). Ротор ТНД  и ротор КНД образуют ротор  низкого давления (НД). Ротор свободной  турбины соединён с ротором нагнетателя.Опорами  роторов ТВД и ТНД, являющимися  задними опорами роторов ВД и  НД, служат роликоподшипники; опорами  ротора свободной турбины − шарикопод- шипник и роликоподшипник.Все подшипники охлаждаются и смазываются маслом под давлением. Для предотвращения нагрева подшипников горячими газами их масляные полости изолированы  радиально-торцовыми контактными  уплотнениями.

     Все опоры роторов турбин имеют устройства для гашения колебаний роторов, возникающих при работе двигателя, − масляные демпферы опор роторов.Роторы турбин не имеют механической связи между собой, их взаимодействие обусловлено газодинамической связью.

     Турбина высокого давления (ТВД)

     Турбина высокого давления (ТВД) − осевая, реактивная, одноступенчатая, предназначена для  преобразования части энергии газового потока, поступающего из КС, в механическую энергию, используемую для вращения ротора КВД и всех приводных агрегатов двигателя.ТВД расположена за КС, её статор крепится к корпусу и конической балке корпуса КС, опора ротора смонтирована в статоре ТНД (корпусе опор турбин), а ротор крепится к валу КВД.

     ТВД состоит из статора и ротора.

     Статор − сопловой аппарат (СА) ТВД, включает наружный корпус, внутренний корпус и сектора сопловых лопаток между ними. Наружный корпус имеет проставки с сотовыми элементами лабиринтного уплотнения.Сектор сопловых лопаток состоит из лопаток, охлаждаемых воздухом, отбираемым из полости вторичного потока КС, наружной и внутренней полок и имеет выступ для фиксации сектора в окружном направлении; в осевом направлении сектор фиксируется буртиком, а в радиальном − пояском. Бурт и поясок входят в соответствующие пазы во внутреннем и наружном корпусах.К внутреннему корпусу болтами крепятся кольца с сотовыми элементами лабиринтных уплотнений.Наружный корпус центрируется относительно корпуса КС призонными болтами и крепится к нему болтовыми соединениями, состоящими из болтов и самоконтрящихся гаек; внутренний корпус крепится к конической балке КС болтами.Ротор ТВД включает рабочее колесо (РК) и задний вал. РК состоит из диска имеющего на ободе ёлочные пазы, в каждом из которых крепятся левая и правая рабочие лопатки, образующие лопаточный венец и зафиксированные контровками, а также гребешков лабиринтных уплотнений. Правая и левая лопатки охлаждаются воздухом, подводимым из-за КВД. Каждая охлаждаемая рабочая лопатка имеет бандажную полку с гребешком лабиринтного уплотнения, полку хвостовика и хвостовик ″ёлочного типа″.На заднем валу ТВД, имеющем гребешки лабиринтных уплотнений, смонтированы детали радиально-торцового контактного уплотнения и внутреннее кольцо роликоподшипника, а внутри вала − уплотнительное кольцо.Ротор ТВД крепится к заднему валу КВД стяжными болтами, имеющими призонные участки для центрирования РК относительно заднего вала КВД и передачи крутящего момента, и призонные участки для центрирования заднего вала ТВД относительно РК

     2. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ  С УЧЕТОМ ВНЕЗАПНЫХ ОТКАЗОВ

     Рабочие лопатки турбины подвержены нагрузкам  от газовых, центробежных сил и термических  напряжений (их в работе не учитываем), которые вызывают статические и переменные напряжения.

     Исходные  данные для расчета:

     1. Материал лопатки: сплав ЖС-6К  (на основе никеля).

     2. Плотность материала: ρ = 8200 кг/м3.

     3. Температура лопатки на среднем  радиусе: Tл.ср.=1020К. Знать температуру лопатки турбины в различных ее сечениях необходимо для установления предела длительной прочности.

     В связи с передачей тепла от лопатки в диск, теплопроводностью  температура ее примерно на одной  трети длины у корня существенно  уменьшается. Обычно температура лопатки  в корневом сечении составляет:

      .

Приближенно можно считать, что на двух третях длины лопатки температура постоянна, а на одной трети (у втулки) изменяется по закону кубической параболы: 

      , 

     где: L – длина профильной части пера лопатки;

     Х – расстояние от корневого сечения  лопатки до расчетного;(Х ).

     Разбиваем перо лопатки на 11 равных частей (рисунок 2.1) и получаем 11 сечений – от первого (втулочного) до одиннадцатого (периферийного).

     Температуру лопатки на среднем радиусе берем  из газодинамического расчета турбины  на среднем радиусе:Tл.ср.= 1020 К.

     Температура лопатки в корневом сечении составляет:

     Tл. корн.=Tл.ср.−100 = 1020 −100 = 920 К. 

     4. Предел длительной прочности  в 11-ти сечениях по радиусу  рабочей лопатки: σtдл =700, 600, 520, 500, 500, 500, 500, 500, 500, 500, 500 МПа.

     5. Коэффициент вариации предела  длительной прочности: υ σtдл = 10%.

     6. Мощность ступени: N = 20100000 Вт.

     7. Угловая скорость: = = рад/с.

     8. Число рабочих лопаток: z = 75.

     9. Высота пера лопатки: Lп = 0,0605 м.

     10. Втулочный радиус: Rвт.= 0,404 м.

     11. Средний радиус: Rср = 0,435 м.

     12. Периферийный радиус: Rnep.= 0,465 м.

     13. Расход газа: Gг = 65,3 кг/с.

     14. Осевые составляющие абсолютной  скорости газа на входе: с1а  =164 м/с и выходе: с2а = 167 м/с РК.

     15. Давление на входе: Р1 = 1020000 Па  и выходе: Р2 = 647000 Па ступени.

     16. Объем бандажной полки и вынос  ее центра тяжести в окружном  и осевом направлениях: VP=0 м3, UPP=0, APP=0.

     17. Относительные выносы центра тяжести периферийного сечения пера лопатки в окружном и осевом направлениях: AU=0, AA=0.

     18. Хорда профиля во всех сечениях  по радиусу пера лопатки: b = 0,0442м.

     19. Максимальная толщина профиля  в корневом, среднем и периферийном  сечениях пера лопатки: Свт.=0,0096 м, Сср.=0,0088 м, Спер.=0,008 м.

     20. Максимальная стрела прогиба  средней линии профиля в корневом, среднем и периферийном сечениях  пера лопатки: fвт= 0,016 м, fср.= 0,014 м, fпер.= 0,012 м.

     21. Интенсивность окружных газовых  сил на среднем радиусе: