Расчет прочности рабочих лопаток

Основные нагрузки, которым подвергаются рабочие лопатки во время работы турбомашин: давление рабочего тела, центробежные силы.

Изгибающие усилия от воздействия потока, отнесенные к одной лопатке, определяются из уравнения Эйлера (рисунок 7)

,

.

Равнодействующая изгибающих усилий равна их геометрической сумме

.

В приведенных формулах: G - расход рабочего тела через решетку;

 - полное число рабочих лопаток решетки;

e - степень парциальности;

c _{1 u}, c _{2 u}, c _{1 a}, c _2a, - окружные и осевые составляющие абсолютных скоростей на входе и выходе рабочей решетки.

На рисунке 5 представлена схема. сил, действующих на лопатку. Центр масс сечений профиля находиться в точке 0, прямые х-х и y - y соответствуют минимальной и максимальной оси инерции профиля, d _B - угол установки профиля, x ₀, y₀ - расстояния до наиболее удаленной точки профиля (в данном случае до выходной кромки) от максимальной и минимальной осей инерции. Проекции изгибающей силы на оси y - y и x - x определяются по выражениям

,  ,

где .

Угол установки профиля можно определить по уравнению

При этом сделано допущение, что минимальная ось инерции х-х параллельна хорде профиля. Такое допущение пренебрежительно мало, так как в действительности ось х-х не совпадает с минимальной осью инерции на угол 1¸4°.

В большинстве расчетов принимают также допущение о постоянстве давления и скорости потока по длине лопатки, тогда нагрузки от силы Р равномерно распределяются по длине лопатки

.

 

Рисунок 7 - Схема сил потока, действующих на лопатку турбины.

 

Изгибающий момент в сечении, на z отстоящем от корневого находят по формуле

,

где z – текущая координата вдоль лопатки.

В корневом сечении (z=0)

 ,

в плоскостях x –х и y - y действуют соответствующие моменты

;

.

Для практических инженерных расчетов определяют изгибные напряжения в лопатках только от изгибающих моментов в плоскости y - y, а также принимают cos(90°-d_B)»1, тогда изгибные напряжения в корне лопатки постоянного сечения

,

где W – момент сопротивления сечения лопатки относительно кромок;

  J - экваториальный момент инерции сечения лопатки относительно оси х-х.

Центробежные силы лопаток и связей (бандажа, связующих проволок) создают в лопатке постоянного сечения напряжения растяжения, равномерно распределенные по поперечному сечению лопатки

,

где  =C_л + С_св– сумма центробежных сил активной части лопатки C_л и связей С_св.

В турбокомпрессорах для наддува судовых дизелей связи, как правило, отсутствуют.

Обычно напряжения растяжения определяют у основания рабочей части лопатки (корневое сечение) и в наиболее нагруженном сечении хвостового крепления.

Если отсутствуют связи, то для центробежной силы лопатки постоянного сечения можно получить выражение

,

где     F – площадь поперечного сечения лопатки;

l - длина рабочей части лопатки;

r - плотность материала лопатки;

w - угловая скорость вращения ();

d - средний диаметр рабочей решетки.

Для относительно длинных рабочих лопаток () площадь поперечного сечения изменяются по длине. Если принять линейный закон изменения площади поперечного сечения по длине, то

,

где      F _к – площадь поперечного сечения лопатки у корня;

m _б - отношение площади поперечного сечения лопатки у периферии к площади у корня.

Суммарное напряжение в корневом сечении

Турбинные лопатки, работающие при высоких температурах рабочего тела, испытывают упругие и пластические деформации, а также тепловые расширения. Суммарная упругая и пластическая деформация диска и лопатки за весь срок службы этих деталей не должна превышать величины радиального зазора между рабочими лопатками и корпусом турбины.

 

 

ТЕМАТИКА И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

 

Учебным планом предусмотрено выполнение курсового проекта по дисциплине «Судовые турбомашины» на тему "Расчет турбонаддувочного агрегата двигателя внутреннего сгорания".

 

Задание на проектирование

 

Спроектировать турбокомпрессор для наддува четырехтактного двигателя внутреннего сгорания эффективной мощности N_e, давление наддува р _к, температура газов на входе в турбину Т _г. Исходные данные выбрать из таблицы 4.

 

Таблица 4 — Исходные данные к курсовому проекту

 

№ последней цифры шифра	N e, кВт	р к, МПа	Тип газовой турбины	№ предпоследней цифры шифра	Т г, К
0	800	0,15	осевая	0	623
1	1000	0,16	радиальная	1	648
2	1200	0,17	осевая	2	673
3	1400	0,18	радиальная	3	698
4	1600	0,19	осевая	4	723
5	1800	0,20	радиальная	5	748
6	2000	0,21	осевая	6	773
7	2200	0,22	радиальная	7	798
8	2400	0,23	осевая	8	823
9	2600	0,24	радиальная	9	848

 

Содержание расчетно-пояснительной части проекта

        

Введение. (Назначение и типы турбонаддувочных агрегатов судовых ДВС. Конструктивные особенности).

Предварительный расчет турбонаддувочного агрегата. (Определение исходных данных для газодинамического расчета компрессора и турбины).

Расчет центробежного компрессора (газодинамический расчет компрессора, определение основных размеров проточной части, построение годографа скоростей на входе в рабочее колесо и на выходе из него, разработка эскиза проточной части компрессора, построение процесса сжатия в компрессоре в Si -диаграмме, уточнение мощности компрессора).

Расчет турбинной ступени - привода компрессора (газодинамический расчет турбинной ступени, определение основных размеров проточной части, разработка эскиза проточной части турбины, построение годографа скоростей на входе в рабочее колесо и на выходе из него, построение процесса расширения рабочего тела в Si -диаграмме, исследование характеристик турбинной ступени на переменных режимах при изменении частоты вращения).

Расчет закрутки облопатывания (определение характеристик облопатывания в корневом и периферийном сечениях).

Методики перечисленных расчетов приведены в [7].

Подбор профилей лопаток сопловой и рабочей решеток, моделирование профилей.

Расчет рабочей лопатки на прочность.

Требования, предъявляемые к компрессору и турбине.

Обслуживание турбонаддувочного агрегата.

 

Содержание графической части проекта

Графическая часть проекта состоит из 2 листов чертежей:

· продольный разрез турбонаддувочного агрегата;

· рабочий чертеж подшипниковых узлов ротора.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Ванштейдт, В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / В.А. Ваншейдт. – Л.: Судостроение, 1977. – 392 с.

2. Байков, Б.П. Турбокомпрессоры для наддува дизелей: справочное пособие / Б.П. Байков, В.Г. Бордуков, П.В. Иванов. - Л.: Машиностроение, 1975.- 200с.

3. Биржаков, М.Б. Радиально-осевые ступени мощных турбин / М.Б. Биржаков, В.В. Литинецкий. - Л.: Машиностроение, 1983. - 219 с.

4. Бухарин, Н.Н. Исследование канально-лопаточных диффузоров центробежных компрессоров / Н.Н. Бухарин, В.Г. Распутнис // Энергомашиностроение – 1965. - №8. - С. 1-5

5. Гречко, Н.Ф. Судовые турбинные установки: справочное пособие / Н.Ф. Гречко. – Одесса: Феникс, 2005. – 317 с.

6. Ден, Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах / Г.Н. Ден. – Л.: Машиностроение, 1973.- 270 с.

7. Жирицкий, Г.С. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов / Г.С. Жирицкий, В.Н. Локай, М.К. Максутова, В.Л. Стрункин. - М.: Машиностроение, 1971.- 620 с.

8. Зайцев, В.И. Судовые паровые и газовые турбины / В.И. Зайцев, Л.Л. Грицай, А.А. Моисеев. - М.: Транспорт, 1981. - 312 с.

9. Конюков, В.Л. Судовые турбомашины. Раздел «Теория турбинной ступени». Конспект лекций для курсантов специальности 26.05.06 Эксплуатация судовых энергетических установок / В.Л. Конюков. - Керчь: КГМТУ, 2015. - 101 с.

10. Конюков, В.Л. Теория компрессорной ступени: конспект лекций (часть 2) / В.Л. Конюков.- Керчь: КМТИ, 2002. –49 с.

11. Конюков, В.Л. Специальные вопросы судовых турбомашин: конспект лекций (часть 3) / В.Л. Конюков. - Керчь: КМТИ, 2004. - 40 с.

12. Курзон, А.Г. Теория судовых паровых и газовых турбин / А.Г. Курзон. - Л.: Судостроение, 1970. - 592 с.

13. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины / В.Ф. Рис. - Л.: Машиностроение, 1981.- 351 с.

 

 

Конюков Вячеслав Леонтьевич

 

Методические указания «Проектные расчеты турбонаддувочных

агрегатов судовых двигателей внутреннего сгорания»

к курсовому проектированию по дисциплине «Судовые турбомашины» и дипломному проектированию  для курсантов специальности

 26.05.06 Эксплуатация судовых энергетических установок

 очной и заочной форм обучения

 

Тираж _______ экз.           Подписано к печати _____________

Заказ № __________ Объем 2,25 п. л.

Изд-во ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет»

298309 г. Керчь, ул. Орджоникидзе, 82.