WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Ганзен Михаил Анатольевич

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИНИМАЛЬНЫХ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ В ЛОПАТОЧНЫХ МАШИНАХ НА ОСНОВНЫХ СТАДИЯХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ГТД

Специальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов АВТОРФРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» на кафедре «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения».

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович.

Официальные оппоненты:

Непомилуев Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», профессор кафедры «Организация производства и управление качеством»;

Мухина Светлана Дмитриевна, кандидат технических наук, открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Сатурн», ведущий инженер-конструктор конструкторского отдела турбин.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Автореферат разослан 27 апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Газотурбинные двигатели (ГТД) являются наиболее эффективными в своём классе машинами с точки зрения термодинамического цикла. Высокая удельная тяга (мощность) и экономичность обуславливают их лидерство в области военной и гражданской авиации. Кроме того, в последние годы они получают всё более широкое распространение в качестве двигателей наземного и морского транспорта, приводов газоперекачивающих агрегатов и электростанций.

Тем не менее, как и любая машина, газотурбинный двигатель обладает определёнными конструктивными недостатками. Одним из таких недостатков является наличие в проточной части лопаточных машин (компрессоров и турбин), входящих в конструкцию двигателя, радиальных зазоров между деталями ротора и статора. Наличие этих зазоров приводит к образованию утечек рабочего тела и потерь энергии, которые, в свою очередь, негативно и весьма существенно влияют на такие важные характеристики двигателя, как удельная тяга, удельный расход топлива, газодинамическая устойчивость, экологичность и уровень шума. Конкуренция на рынке газотурбинной техники вызывает необходимость непрерывного повышения характеристик как эксплуатируемых, так и новых образцов двигателей. Уменьшение радиальных зазоров является одним из наименее затратных путей решения этой задачи. Однако, как показывает практика, чрезмерное уменьшение зазоров может в конечном итоге вызвать контакт ротора и статора, что чревато возникновением аварийной ситуации.

В силу указанных обстоятельств, диссертационная работа посвящена созданию комплекса методов и средств обеспечения минимально допустимых радиальных зазоров, обеспечивающих наиболее высокие характеристики ГТД.

Цель работы – расчётное определение и технологическое обеспечение минимальных радиальных зазоров в конструкциях компрессоров и турбин на стадиях проектирования, производства и эксплуатации газотурбинных двигателей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ существующих способов расчёта, выбора и обеспечения минимальных радиальных зазоров, определение их возможностей и недостатков.

2. Разработка математической модели и методики, позволяющей на этапе проектирования двигателя исследовать динамику изменения радиальных зазоров с учётом тепловых и силовых деформаций конструкции лопаточных машин.

3. Разработка технологических и организационных решений, направленных на повышение точности выполнения радиальных зазоров при сборке двигателя.

4. Разработка математической модели и методики для оценки эксплуатационных изменений радиальных зазоров с учётом процессов износа и ползучести материалов, разработка решений по сохранению минимальных значений радиальных зазоров в процессе эксплуатации двигателя.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Математическая модель и методика для проектного исследования динамики изменения радиального зазора в рабочем (полётном) цикле двигателя с учётом тепловых и силовых деформаций конструкции лопаточных машин.

2. Способы сборки лопаточных машин, позволяющие повысить точность выполнения радиальных зазоров путём технологической компенсации и пригонки.

3. Математическая модель и методика для оценки эксплуатационных изменений радиального зазора под действием процессов износа и ползучести.

Общая методика исследований Работа основана на теоретических методах исследования. При разработке математических моделей использовались известные закономерности в области теплообмена, теоретической механики и сопротивления материалов, теории упругости и пластичности, теории фреттинг-процессов. Предложенные способы сборки подчиняются современным теориям размерных взаимосвязей.

Научная новизна Разработана математическая модель для проектного исследования динамики изменения радиальных зазоров в рамках рабочего (полётного) цикла двигателя с учётом воздействия на детали лопаточных машин температурных и силовых факторов. Модель отличается от аналогичных существующих решений меньшей погрешностью расчётов благодаря учёту неравномерности температурных полей и деформаций замковых соединений, а также возможностью её применения для расчёта как турбин, так и компрессоров.

Существующие теории фреттинг-износа, низко- и высокотемпературной ползучести материалов интерпретированы в виде математической модели, предназначенной для проектной оценки изменений радиальных зазоров в конструкциях лопаточных машин в процессе эксплуатации двигателя.

Практическая ценность и реализация результатов работы Предложенные методики исследования динамики изменения радиальных зазоров в рабочем (полётном) цикле и в процессе эксплуатации двигателя позволяют с приемлемой для проектных расчётов степенью точности определять минимально допустимую величину радиального зазора в ступенях лопаточных машин по условию отсутствия контакта элементов ротора и статора двигателя на наиболее опасных рабочих режимах в рамках заданного межремонтного ресурса.

Предложенные способы сборки позволяют посредством технологической компенсации и пригонки сократить до минимального уровня погрешности выполнения расчётных минимальных значений радиальных зазоров в рамках отдельных ступеней компрессоров и турбин, а также ограничить возможность накопления погрешностей при сборке многоступенчатых конструкций, тем самым сокращая разброс характеристик двигателей в рамках производственной партии, возникающий по технологическим причинам.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международная молодёжная научная конференция «XXXVI Гагаринские чтения», г. Москва, РГТУ «МАТИ», 6-апреля 2010 г.; международный молодёжный форум «Будущее авиации за молодой Россией», г. Москва, ВВЦ, 16 апреля 2010 г.; «64 региональная научнотехническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов», г. Ярославль, ЯГТУ, 20 апреля 2011 г.; международном научно-техническом семинаре «Современные технологии сборки», г. Москва, МГТУ «МАМИ», 20-21 октября 2011.

Проект, выполненный по результатам работы, был отмечен медалью «За успехи в научно-техническом творчестве» всероссийской выставки научно-технического творчества молодёжи «НТТМ-2011», г. Москва, ВВЦ, 28 июня – 1 июля 2011 г.

Автором диссертации выполнялись научно-исследовательские работы в рамках Федеральной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Публикации По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных для печати ВАК Российской Федерации, получен 1 патент на полезную модель и 1 положительное решение о выдаче патента.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и списка использованных источников. Объем работы – 155 страниц машинописного текста, включающего 80 рисунков, 6 таблиц, 92 формулы, список использованных источников из 135 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, выделены ключевые направления исследований.

В первой главе проведён анализ данных литературных источников и производственного опыта в области обеспечения минимальных радиальных зазоров, сокращения утечек и потерь энергии в радиальных зазорах. Рассматриваемая проблема в той или иной степени исследовалась во всех российских научных школах авиационного двигателестроения. Проблеме радиальных зазоров в конструкциях лопаточных машин посвящён ряд работ Б.С. Стечкина, Ю.С. Подобуева, М.И. Жуковского, Г.Ю. Степанова, М.. Дейча, С.З. Копелева, В.Х. Абианца, К.В. Холщевникова, В.И. Локая, П.К. Казанджана, Н.Д. Кузнецова, П.А. Соловьева, В.А. Лотарева, О.Н. Фаворского и других учёных и инженеров.

За рубежом вопросами теории лопаточных машин и, в частности, проблемой радиальных зазоров занимались К. Пфлейдерер, У.Р. Хауторн, Дж. Х. Хорлокк, Дж. Гостеллоу, а также многие другие исследователи.

Основными направлениями научных изысканий в рассматриваемой области являются исследование и моделирование течений в радиальных зазорах, а также анализ влияния этих течений на основные характеристики ГТД. При всей значимости исследований подобного рода, их результаты позволяют решить лишь обратную задачу проектирования: исходя из известных величин радиальных зазоров спрогнозировать возможные характеристики двигателя.

Решению прямой задачи (расчётному определению минимально допустимых величин радиальных зазоров, обеспечивающих наиболее высокие характеристики двигателя) посвящены труды Н.Д. Кузнецова, .А. Гриценко, В.П. Данильченко, В.П. Почуева, В.В. Бутонова, В.В. Исаева, А.С. Ласкина, Ю.Г. Калинкиной, Х.А. Кипороса. Предложенные перечисленными авторами методы расчёта в большинстве своём применимы только при наличии опытного образца двигателя (на этапе доводки или модернизации). Математические модели, применимые при проектировании двигателя, являются слишком упрощёнными, что в конечном итоге выражается в существенной погрешности расчётов. Кроме того, существующие математические модели предназначены преимущественно для расчёта турбин, в то время как проблема радиальных зазоров в конструкциях компрессоров является не менее актуальной.

Таким образом, в настоящее время существует необходимость в создании математической модели, позволяющей исследовать динамику изменения радиальных зазоров в конструкциях компрессоров и турбин с возможно большей точностью за счёт учёта всего массива данных, доступных при проектировании.

Вторая глава работы посвящена разработке математической модели для исследования динамики изменения радиальных зазоров в рамках рабочего (полётного) цикла двигателя. Автором диссертации предложены обобщённая расчётная схема ступени лопаточной машины (рис. 1) и уравнения динамики (1) и (2), определяющие величины радиальных зазоров в рабочем колесе и направляющем (сопловом) аппарате в зависимости от тепловых и силовых деформаций отдельных элементов лопаточной машины в конкретный момент времени.

рк(t) = rк + rк(t) - lрл - lрл(t) - rр - rр(t) - з(t), (1) на(t) = rк + rк(t) - lсл - lсл(t) - rр - rр(t), (2) где rк(t) – радиальная деформация корпуса, м;

lрл(t) – радиальная деформация рабочей лопатки, м;

lсл(t) – радиальная деформация лопатки статора, м;

rр(t) – радиальная деформация ротора, м;

Рис. 1. Обобщённая расчётная схема З(t) – деформация замкового соединения, м.

ступени лопаточной машины Для определения деформаций отдельных элементов конструкции были проанализированы и уточнены известные зависимости из области механики и теплопередачи, а также ряд специализированных расчётных зависимостей, предложенных учёными и инженерами непосредственно для расчёта конструкций ГТД.

Окончательная математическая модель включила в себя следующие зависимости.

Тепловая деформация корпуса rкт = rк T, (3) где – коэффициент теплового расширения материала корпуса, 1/С;

rк – радиус корпуса, м;

T – температура корпуса, С.

Силовая деформация корпуса под действием разницы давлений P rкrкc =, (4) Е h где P – разность давлений, воздействующая на корпус, Па;

rк – радиус корпуса, м;

Е – модуль упругости материала корпуса, Па;

h – толщина корпуса, м.

Тепловая деформация корпуса с покрытием rb2 T rкт = raт = rс + - ( - Tc , (5) Tb ) c rb2 - rc2 rb 2 ln rс где ra, rb, rc – внутренний радиус корпуса, радиус раздела покрытия и металла и внешний радиус корпуса соответственно, м;

Tb, Tc – температуры покрытия и металла соответственно, С.

Силовая деформация корпуса с покрытием rкc = rac = 1 rc Pвн rc2 + Pнар rb2 -( ) - Pвн), (6) (-µ 1+µ rc rb2(Pнар ) ( ) E(rb2 - rc2) где Е – модуль упругости материала корпуса, Па;

µ – коэффициент Пуассона материала корпуса;

Pвн, Pнар – внутреннее и наружное давление, действующее на корпус, Па.

Автором диссертации предложено определять тепловую деформацию лопатки с приближённым учётом неравномерного распределения температуры по длине лопатки (с выделением трёх характерных участков) по формуле т lрл lрл (Т - 40), (7) где – коэффициент теплового расширения материала лопатки, 1/С;

lрл – длина лопатки, м;

T – температура лопатки на среднем радиусе, С.

Силовая деформация лопатки может быть определена по известной зависимости lрл (lрл + rр) c lрл =, (8) E где – плотность материала лопатки, кг/м3;

lрл – длина рабочей лопатки, м;

rр – наружный радиус ротора, м;

– окружная скорость вращения ротора, рад/с;

Е – модуль упругости материала лопатки, Па.

Автором диссертации предложено определять тепловую деформацию ротора с приближённым учётом неравномерного распределения температуры в диске (по закону квадратичной параболы, с учётом теплоотдачи от рабочей лопатки), по температуре на среднем радиусе диска rрт rр (Tрл -175), (9) где – коэффициент теплового расширения материала ротора, 1/С;

rр – наружный радиус ротора, м;

Tрл – температура ножки лопатки, С.

Силовая деформация ротора rр rрс = ( -µr ), (10) Е где rp – наружный радиус ротора, м;

Е – модуль упругости материала ротора, Па;

– окружные напряжения на расчётном радиусе, Па;

µ – коэффициент Пуассона материала ротора;

r – радиальные напряжения на расчётном радиусе, Па.

Модель включает зависимости для определения окружных и радиальных напряжений в материале ротора как дисковой, так и барабанной конструкции, наиболее характерной для современных осевых компрессоров.

Основным элементом новизны в предложенной автором диссертации математической модели является учёт деформаций замковых соединений рабочих лопаток с ротором, которые по неизвестным причинам не учитываются большинством исследователей. Очевидно, что на величину радиального зазора со стороны замкового соединения оказывают влияние следующие факторы:

1. Зазор в замковых соединениях. При раскрутке ротора имеющийся в соединении зазор “выбирается”, при этом радиальный зазор уменьшается.

2. Упругие деформации соединений. Замковые соединения проектируются с запасом прочности, однако они представляют собой маложёсткую конструкцию.

3. Контактные деформации соединений. Значительные центробежные силы, распределённые на малой площади соединения, вызывают существенные контактные деформации, которые требуют обязательного учёта.

Действие указанных факторов было проанализировано для трапециевидного, ёлочного, кольцевого и шарнирного соединения. Для определения влияния конструктивного зазора на радиальное смещение лопатки выбрана известная зависимость з.з = 0,5 tg cos , (11) где – конструктивный зазор, мм;

– угол при вершине трапеции, градус;

– угол наклона паза в осевом направлении, градус.

Формула (11) актуальна для трапециевидного и ёлочного соединений. В кольцевом и шарнирном соединениях смещение будет равным конструктивному зазору.

Для оценки упругих деформаций замковых соединений, их конструкции были рассмотрены как совокупность консольных балок, нагруженных сосредоточенными силами. Радиальное смещение лопатки определялось упругим перемещением в условной точке приложения силы (в середине линии контакта), которое, в свою очередь, может быть определено по интерпретированной автором диссертации зависимости из теории упругих стержней Plз.у=, (12) 4Ebhср где P – центробежная сила от массы лопатки, Н;

l – длина зубца, м;

Е – модуль упругости материала, Па;

b – ширина замка, м;

hср – средняя толщина зубца, м.

Параметры l и hср определяются непосредственно по рабочему чертежу соединения, либо могут быть получены путём простых геометрических преобразований.

Контактная деформация может быть определена по формуле Н.Б. Демкина, интерпретированной автором диссертации с учётом специфики замковых соединений Н з.к =100 Ra ( )0,5 ( )0,5, (13) Ен Е где = d/50 мм – масштабный коэффициент соединения;

d – наибольший размер поверхности контакта, мм;

Ra – среднее арифметическое отклонение профиля поверхностей, мкм;

Н – твёрдость наиболее мягкой поверхности, Па;

Ен – модуль упругости материала, имеющего меньшую твёрдость, Па;

– контактное напряжение, Па;

Е – приведённый модуль упругости, Па.

Деформация замкового соединения рабочей лопатки с диском в произвольный момент времени представляет собой сумму перечисленных компонентов з = з.з + з.у + з.к. (14) В третьей главе предложена методика исследования динамики изменения радиальных зазоров. На основе анализа экспериментальных данных, опубликованных в открытой печати, была сформирована обобщённая диаграмма динамики изменения радиального зазора в ступени лопаточной машины с учётом всех возможных в рабочего (полётного) цикла двигателя процессов и ситуаций (рис. 2).

Рис.2. Обобщённая диаграмма динамики изменения радиального зазора Как показывает практика, для авиационного газотурбинного двигателя наиболее опасным рабочим режимом, определяющим диапазон изменения радиальных зазоров в полётном цикле, является режим встречной приёмистости (точка 9*). Для наземных энергетических установок такой режим работы нехарактерен, поэтому расчёт диапазона изменения радиальных зазоров должен выполняться для режима запуска (точка 5) или останова двигателя (точка 9).

Для проверки адекватности разработанной математической модели и методики был выполнен проверочный расчёт, результаты которого сопоставлены с опубликованными в открытой печати данными замеров динамики изменения радиального зазора в ступени турбины высокого давления двигателя СF6-50 компании General Electric, выполненных в NASA (США). Исходными данными для расчёта выступили основные размеры конструкции, параметры двигателя на расчётном режиме (встречная приёмистость), свойства конструкционных материалов (Inconel 718, Rene 80) и данные термометрирования двигателя, опубликованные NASA. Расчётный диапазон изменения радиального зазора в полётном цикле составил Драсч = 1,05 мм. Замеренный диапазон изменения составил Дизм = 1,3 мм. Таким образом, относительная погрешность расчёта при помощи авторской математической модели равна Дизм-Драсч 1,3-1,= 100%= 100%=19%. (15) Дизм 1,Это позволяет охарактеризовать предложенную математическую модель и методику расчёта как адекватную и подходящую для проектного расчёта минимально допустимых величин радиальных зазоров.

Четвертая глава работы посвящена разработке технологических и организационных решений по повышению точности выполнения радиальных зазоров при производстве (сборке) газотурбинных двигателей.

С точки зрения технологии сборки, радиальный зазор является замыкающим звеном сборочной размерной цепи, погрешность которого определяется суммой погрешностей составляющих звеньев. Основные погрешности при выполнении радиальных зазоров в рамках отдельной ступени лопаточной машины вызваны эксцентриситетом между осями ротора и статора и разбросом размеров по вершинам лопаточных венцов (рис. 3).

Рис. 3. Погрешности выполнения радиального зазора в ступени лопаточной машины где e – эксцентриситет между осями статора (А) и ротора (Б);

rmax…rmin – колебание величины радиуса ротора (по вершинам лопаток);

Rmax…Rmin – колебание величины радиуса статора (по вершинам лопаток);

max – верхнее отклонение величины радиального зазора;

min – верхнее отклонение величины радиального зазора.

Теоретически, указанные погрешности могут быть минимизированы путём ужесточения допусков на отдельные детали, однако детали современных лопаточных машин выполняются с предельно высокой экономической точностью, соответствующей 6-7 квалитету. Таким образом, единственно возможным способом повышения точности радиальных зазоров является управление процессом сборки.

Для сокращения эксцентриситетов между осями деталей ротора и статора автором работы предложен способ технологической компенсации с оптимизацией углового положения деталей. Сущность способа заключается в том, чтобы расположить детали ротора и статора в таком относительном угловом положении, чтобы погрешности расположения базовых поверхностей, суммируясь, максимально уменьшали или полностью исключали эксцентриситеты рабочих поверхностей, непосредственно влияющих на радиальные зазоры.

Критерий оптимизации положения при соединении двух деталей (рис. 4) был сформулирован в виде общего геометрического выражения eР2 - (eУ1 + eБ2 ) = N О, (16) где eР2 – эксцентриситет рабочей поверхности детали 2;

eУ1 – эксцентриситет установочной поверхности детали 1;

eБ2 – эксцентриситет базовой поверхности детали 2;

N – некомпенсированный вектор Рис. 4. Соединение двух деталей ротора эксцентриситета.

Были проанализированы типовые конструкции деталей ротора и статора, возможные варианты пространственного расположения и взаимного соотношения величин эксцентриситетов. Для каждого из возможных вариантов предложена зависимость для выбора оптимального взаимного положения соединяемых деталей. Алгоритм оптимизации углового положения показан на рис. 5.

Рис. 5. Фрагмент алгоритма оптимизации углового положения деталей Предложенный алгоритм сборки с взаимной компенсацией отклонений позволяет сократить до минимального уровня погрешности выполнения радиальных зазоров в рамках ступени лопаточной машины и, что наиболее значимо, ограничить возможность накопления погрешностей при сборке многоступенчатых конструкций роторов и статоров, характерных для компрессоров.

В пятой главе выполнен анализ опыта эксплуатации ГТД, который показал, что в процессе эксплуатации радиальные зазоры в компрессорах и турбинах увеличиваются, что выражается в виде износа истираемых покрытий в компрессоре и сотовых вставок на корпусных деталях турбины. При более глубоком рассмотрении этого вопроса становится очевидным, что износ элементов корпуса является не причиной, а следствием уменьшения радиальных зазоров в результате фреттинг-износа замковых соединений и ползучести материалов деталей ротора. Таким образом, для уменьшения износа элементов корпуса и сохранения характеристик двигателей в эксплуатации необходимо на этапе проектирования определить диапазон эксплуатационных изменений радиального зазора в рамках межремонтного ресурса и заложить расчётную величину изменений в монтажный радиальный зазор, выполняемый при сборке двигателя.

Для расчёта величины линейного износа замковых соединений в результате фреттинга автором диссертации был предложен ряд зависимостей. Для трапециевидной и ёлочной конструкции замковых соединений величина линейного износа может быть определена по формуле W hи =, (17) 2 n А В sin cos где W – объём материала, удалённого с контактирующих поверхностей, м3;

n – число пар зубцов в соединении (для трапециевидного замка n = 1);

А – ширина площадки износа, м;

B – длина соединения (в осевом направлении), м;

– угол наклона паза к оси, градус;

– угол при вершине трапеции, градус.

Аналогично, для кольцевого замкового соединения W hи =, (18) 2 А В где W – объём материала, удалённого с контактирующих поверхностей, м3;

A, В – длина и ширина площадок износа, м.

Для шарнирного замкового соединения расчётная зависимость будет иметь вид W hи =, (19) D H n где W – объём материала, удалённого с контактирующих поверхностей, м3;

D – диаметр шарнира (штифта), м;

H – ширина проушин замка, м;

n – общее число проушин.

Объём материала, удалённого с контактирующих поверхностей, может быть определён по известной зависимости, предложенной Х. Улигом N W =Wкорр +Wмех = (k0 P2 - k1 P) + k2 l P N, (20) f где Wкорр – потеря объёма материала в результате коррозии, м3;

Wмех – потеря объёма материала в результате механических повреждений, м3;

P – нормальная нагрузка, Н;

N – число циклов нагружения;

f – частота нагружения, Гц;

l – амплитуда колебаний, м;

k0, k1, k2 – постоянные, зависящие от механических свойств материалов.

Оценка ползучести материала лопатки в первом приближении может быть выполнена по первичным кривым ползучести (справочным экспериментальным данным). Для диска, находящегося в плоском напряжённом состоянии, изменение размеров в результате ползучести может быть определено как n-u = (2 -r +2 ) (2 -r ) r, (21) r где – окружное напряжение на расчётном радиусе, Па;

r – радиальное напряжение на расчётном радиусе, Па;

n – постоянная (рекомендованное значение n = 3);

– величина деформации по первичной кривой ползучести, м;

r – расчётный радиус диска, м.

Расчёт эксплуатационных изменений радиальных зазоров целесообразно выполнять для обобщённого рабочего (полётного) цикла путём суммирования износа и ползучести материалов, накопленных на различных режимах при определённых нагрузках в течение заданного периода времени (межремонтного ресурса).

Общая схема минимизации радиальных зазоров с использованием предложенных автором диссертации решений представлена на рис. 6.

Математическая модель для Диапазон изменения оценки динамики радиального радиального зазора зазора в рабочем (полётном) в рабочем цикле двигателя (полётном) цикле + Математическая модель для Диапазон изменения расчёта изменений зазора в рамках радиального зазора межремонтного в эксплуатации ресурса Rуд.max Управление процессом монт.min min+ T()min крейс.min сборки Cуд.min Рис. 6. Общая схема минимизации радиальных зазоров ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. На основании анализа литературных данных показано, что проблема радиальных зазоров актуальна для газотурбинных двигателей по причине значительного влияния зазоров на удельную тягу (мощность), удельный расход топлива, газодинамическую устойчивость, экологичность и уровень шума двигателя.

2. Разработанная автором диссертации математическая модель для исследования динамики изменения радиального зазора на этапе проектирования двигателя отличается от ранее созданных моделей меньшей погрешностью расчётов (< 20%) за счёт приближённого учёта неравномерного теплового состояния и деформаций замковых соединений лопаток с ротором, а также возможностью применения математической модели для расчёта как турбин, так и компрессоров.

3. Предложенная математическая модель для оценки эксплуатационных изменений радиальных зазоров учитывает влияние на величину зазора процессов фреттинг-износа замковых соединений и ползучести материалов ротора, позволяя определить уменьшение зазора в рамках межремонтного ресурса и заложить расчётный диапазон эксплуатационных изменений в монтажную величину радиального зазора, выполняемую при сборке двигателя.

4. Предложенные методики минимизации радиальных зазоров позволяют с приемлемой для проектных расчётов точностью определять минимально допустимые величины радиальных зазоров в конструкциях лопаточных машин. При изготовлении опытной партии, по результатам проведения лётных испытаний и доводки выбранные значения зазоров могут быть откорректированы.

5. Предложенный алгоритм сборки, основанный на взаимной компенсации погрешностей деталей, позволяет уменьшить погрешности радиальных зазоров в рамках отдельных ступеней лопаточных машин и ограничить накопление погрешностей при сборке многоступенчатых конструкций роторов и статоров.

Основные положения диссертации отражены в 16 опубликованных работах, среди них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Ганзен М.А. Универсальная модель для анализа динамики радиальных зазоров в лопаточных машинах ГТД [Текст] / М.А. Ганзен // Полёт. – 2011. – №3. – С. 53-60.

2 Безъязычный В.Ф. Расчётное определение деформации замковых соединений рабочих лопаток с дисками турбомашин [Текст] / В.Ф. Безъязычный, М.А. Ганзен // Справочник. Инженерный журнал. – 2011. – №4. – С. 18-22.

3 Безъязычный В.Ф. Разработка технологии компенсирующей сборки лопаточных машин ГТД с целью обеспечения и повышения точности выполнения радиальных зазоров [Текст] / В.Ф. Безъязычный, М.А. Ганзен // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2011. – № 4/2. – С. 27-32.

4 Безъязычный В.Ф. Повышение точности выполнения радиальных зазоров при сборке лопаточных машин ГТД [Текст] / В.Ф. Безъязычный, М.А. Ганзен // Полёт. – 2011. – №11. – С. 24-33.

В других изданиях:

5 Ганзен М.А. Повышение характеристик авиационных газотурбинных двигателей путём обеспечения оптимальных радиальных зазоров в конструкциях лопаточных машин [Текст] / М.А. Ганзен // XXXVI Гагаринские чтения.

Научные труды Международной молодёжной конференции в 8 томах. – М.:

МАТИ, 2010. – Т.2., С. 144-146.

6 Ганзен М.А. Исследование проблемы обеспечения оптимальных радиальных зазоров в конструкциях турбомашин ГТД в технологическом аспекте [Текст] / М.А. Ганзен // Шестьдесят четвёртая региональная научнотехническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов вузов с международным участием. – Ч.1: тез. докл. – Ярославль: изд. ЯГТУ, 2011. – С. 185.

7 Ганзен М.А. Разработка универсальной модели для анализа динамики радиальных зазоров в ступенях лопаточных машин газотурбинных двигателей [Текст] / М.А. Ганзен // НМТ-2010. Материалы Всерос. научно-техн. конф. Москва, 16-ноября 2010 г. В 3 томах. Т 2. – М.: Издательский центр МАТИ, 2010. – С. 46-47.

8 Ганзен М.А. Активное управление процессом сборки турбомашин газотурбинных двигателей с целью повышения точности выполнения радиальных зазоров [Текст] / М.А. Ганзен // Материалы международного научно-технического семинара «Современные технологии сборки». Москва, МАМИ, 2011. – С. 58-65.

Получены патенты:

9 Патент РФ на пoлезную мoдель № 108483 МПК F01D11/00 Устройство управления радиальным зазором в турбомашине на основе пакета тарельчатых пружин [Текст] / Ганзен Михаил Анатольевич; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьёва». – № 2011114297, заявлено 12.04.2011, опубликовано 20.09.2011.

10 Заявка № 2011142055/06 РФ на пoлезную мoдель Устройство управления радиальным зазором в турбомашине, основанное на эффекте памяти формы / Ганзен Михаил Анатольевич; заявитель ФГБОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьёва».

– заявлено 17.10.2011 (решение о выдаче патента от 5.03.2012).

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 27.04.2012 г.

Формат 6084 1/16. Уч.-изд.л. 1. Тираж 100. Заказ 100.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьева) 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина,




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.