Материал: Формирование конструктивных схем ГТД и расчет осевых сил в турбокомпрессоре (90

3

Предисловие

Учебное пособие предназначено для студентов факультета двигателей летательных аппаратов очнозаочной формы обучения, изучающих дисциплины: «Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок» и «Конструирование основных узлов авиационных двигателей и энергетических установок».

Цель освоения указанных дисциплин - дать студентам конструкторскую подготовку в соответствии с требованиями Государственного общеобразовательного стандарта к инженеру по авиационным двигателям (АД) и энергетическим установкам (ЭУ). Эти дисциплины являются одними из важнейших при подготовке специалиста в области двигателестроения. Изучение вопросов конструирования АД и ЭУ основывается на классических принципах и концепции проектирования и конструирования с привлечением современных методов анализа результатов. Задача конструктора состоит в создании АД и ЭУ, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели.

Одним из важнейших моментов создания АД и ЭУ является выбор конструктивно-силовой схемы двигателя. Умение создавать и анализировать КСС двигателя способствует формированию у студентов системного проектно-конструкторского мировоззрения. Предлагаемое пособие продолжает серию учебно-методических изданий, выполненных на кафедре «Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов» (КиПДЛА) /1,2/ за предыдущие годы и посвященных формированию КСС двигателей. В нем приведен подробный анализ КСС отечественных ГТД, необходимый при выполнении курсовых и дипломных проектов. Предложена методика упрощенного расчета осевой силы, действующей на ротор двигателя и позволяющая быстро выполнить расчет на разных стадиях выполнения учебного плана – при выполнении лабораторных работ, курсовом и дипломном проектировании.

Введение

Всоответствии с Государственным стандартом разработка сложных технических объектов (изделий), какими являются авиационные двигатели и энергетические установки, начинается со стадии проектирования. Проектирование охватывает огромное многообразие работ, которые включают поиск принципиальных схем, их анализ и последующую разработку конструктивно-силовой схемы (КСС) изделия, наилучшим образом отвечающую требованиям технического задания.

Поэтому студенты должны уметь составлять и анализировать КСС авиационных двигателей и энергетических установок по их препарированным макетам и чертежам продольных разрезов. Они должны также уметь рассчитывать силы, действующие в основных элементах конструкции силовой установки. Умение создавать и анализировать КСС двигателя позволяет студентам рассмотреть возможно большую область конструкторских решений на уровне концепции, а также способствует формированию у студентов системного проектноконструкторского мировоззрения. Анализ нескольких альтернативных вариантов КСС при выполнении курсового и дипломного проектирования позволяет принять более обоснованное решение для выбора схемы проектируемого двигателя или энергетической установки.

Внастоящем пособии кратко изложены основные понятия о КСС разного уровня, а также упрощенные методики оценки осевых и радиальных сил, действующих на элементы конструкции двигателя, позволяющие студентам представить порядок этих сил в двигателях.

4

1 Составление и анализ конструктивно-силовой схемы авиационного ГТД и энергетической установки

1.1Конструктивно-силовая схема

Конструктивно-силовая схема – это условное упрощенное графическое изображение двигателя с сохранением его геометрического облика и формы проточной части, содержащее ротор(ы) и статор со связывающими их опорами.

В КСС должны быть отображены основные конструкционные признаки двигателя - тип, количество, взаимное расположение и виды связей (соединений) его структурных элементов, представляющих собой функциональные части конструкции (компрессор(ы), турбина(ы), камера сгорания, входное и выходное устройства), а также силовые пояса, опоры и другие элементы статора и ротора(ов), которые обеспечивают необходимую жесткость и прочность структурным элементам двигателя, воспринимают и частично замыкают действующие на них нагрузки, возникающие при работе двигателя, и передают равнодействующие этих нагрузок на систему крепления двигателя к летательному аппарату.

КСС должна содержать выносные линии с последовательным расположением номеров позиций, начиная с 1-й по часовой стрелке по горизонтальной или вертикальной линиям.

Номерами позиций указывают:

1)структурные элементы двигателя;

2)опоры роторов;

3)соединения роторов турбин с роторами компрессоров и редукторами с указанием силовых элементов, обеспечивающих передачу крутящего момента и осевой силы (шлицевых соединений, стяжных болтов и гаек);

4)схему центрального привода агрегатов;

Кроме того, указывают основные и вспомогательные плоскости крепления двигателя к летательному аппарату (при наличии данных – указывают системы крепления двигателя). Для упрощенного графического изображения используются условные обозначения как общего применения (стандарт ЕСКД), так и специального – в виде символов, отражающих специфику конструктивных особенностей авиационных двигателей. Графические символы приведены в приложениях 1, 2. Системы уплотнений не относятся к силовым элементам и деталям, поэтому изображать их на конструктивно-силовой схеме не рекомендуется (кроме разгрузочных полостей передних и задних торцов ротора компрессора), чтобы ее не усложнять. Пример оформления КСС ТРДДФ НК-144 ОАО СНТК имени Н.Д. Кузнецова показан на рисунке 1.

5

Пояснения номеров позиций КСС схемы могут быть расшифрованы как в тексте, так и в подписи к рисунку (см. рис.1).

Рисунок 1 – КСС ТРДДФ НК-144

Обозначения к рис.1: П, С, З – передняя, средняя, задняя плоскости системы крепления двигателя к самолету; 1 - входное устройство; 2 – компрессор низкого давления; 3 – компрессор высокого давления; 4 – камера сгорания основная; 5 – турбина высокого давления; 6

– турбина низкого давления; 7 – соединение корпусов подвижное; 8 – камера сгорания форсажная; 9 – реактивное сопло; 10 – задняя статорная опора ротора низкого давления; 11 – задняя межвальная опора ротора высокого давления. 12 – передняя статорная фиксирующая опора ротора высокого давления; 13 – центральный привод; 14 – шлицевое подвижное соединение валов ротора низкого давления; 15 – средняя статорная фиксирующая опора ротора низкого давления; 16 – стяжной болт; 17 – передняя статорная опора ротора низкого давления; 18 - узлы системы крепления двигателя к самолету основные; 19, 20 – узлы системы крепления двигателя к самолету

1.2 Анализ конструктивно-силовой схемы

Под анализом следует понимать рассмотрение достоинств и недостатков составных частей КСС – ее основных конструкционных признаков. При этом следует обратить внимание на адекватность основных свойств конструкционных признаков требованиям, предъявляемым к КСС данного двигателя.

Перечень наиболее важных требований, предъявляемых к КСС АД и ЭУ, определяется техническим заданием и может быть сформулирован в самом общем виде как:

необходимая жесткость ротора(ов) и статора при минимальной массе для обеспечения заданного удельного расхода топлива Суд;

прочностная надежность силовых элементов; оптимальное распределение силового потока для получения минимальных нагрузок на

силовые детали и элементы; статическая определимость системы ротор – статор; свобода температурных деформаций; модульность;

6