II. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИНИЯ РАСЧЕТНОЙ ЧАСТИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА.

проектированию данного узла или системы, нужно указать пути выполнения требований и их теоретическое обоснование. Необходимо отметить, какие особенности системы, материала и т.п. увеличивают надежность и срок службы, ускоряют техническое обслуживание, улучшают экономичность двигателя.

Используя информацию по эксплуатации воздушных судов и безопасности полетов, опыт практической работы, следует дать анализ отказов и неисправностей, отметить причины отказов и неисправностей и методы их предупреждения и устранения. Техника безопасности и особенности сезонной эксплуатации должны включать основные меры предосторожности, необходимые при работах по техническому обслуживанию.

2.3. Расчетная часть проекта

Расчетная часть проекта предусматривает выполнение проверочных расчетов на прочность, определение площади характерных сечений и усилий, действующих на отдельные детали и элементы двигателя.

Наименование расчета указывается в задании на курсовой проект. Расчет следует производить в следующем порядке:

· записать расчетное уравнение или формулу в буквенном выражении и дать пояснение величин, входящих в неё, указать размерность величин;

· подставить в выбранную формулу численные значения величин и вычислить результат;

· записать полученный результат с указанием его размерности.

· при проверочном расчете на прочность полученные данные сравнить с допускаемым напряжением для данного материала;

· сделать вывод о прочности конструкции.

При выполнении расчета обязательно приводить пояснительные эскизы, давать ссылки на источники с указанием наименования книги, автора и страниц.

В конце расчетно-пояснительной записки привести список использованной литературы. Поставить дату выполнения записки и подпись.

3. Графическая часть

Графическая часть курсового проекта выполняется на двух листах формата А1 (594x84) ГОСТ 2.105.-79.

Графическая часть предусматривает выполнение сборочного чертежа узла двигателя, агрегата и рабочие чертежи деталей, или вычерчивание принципиальных схем топливной, масляной систем или систем автоматического регулирования.

На каждом листе в правом нижнем углу должен быть штамп (Приложение 4).

В штампе указывают:

1. Наименование изделия.

2. Условный шифр, например КД 11, где КД- конструкция двигателей, 11 - номер задания на проект.

3. Обозначение материала детали.

4. Литер – условное обозначение чертежа ( в учебных проектах ставится буква«У»).

5. Масса изделия.

6. Масштаб.

7. Порядковый номер листа (графу не заполняют).

8. Общее количество листов (графу не заполняют).

9. Наименование предприятия (ОЛТК. ГА и № группы).

10. «Рассчитал».

11. .Фамилии лиц, подписавших документ.

12. Подписи лиц, подписавших документ.

13. Дата подписи.

14-18. Графы не заполняются.

II. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИНИЯ РАСЧЕТНОЙ ЧАСТИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА.

Определение расхода воздуха через ГТД

При определении секундного расхода воздуха через двигатель необходимо взять одно из его характерных сечений, например 1-1 (В-В, вход в компрессор), и, зная его геометрические размеры (путем замера непосредственно на двигателе), а также скорость движения воздуха через это сечение (из технического описания) определяют согласно следующей методики.

Из уравнения неразрывности известно, что

где f₁ - площадь проходного сечения (1-1) м²,

С₁- скорость движения воздуха м/с,

Р₁ - плотность воздуха в сечении кг/м³.

Площадь проходного сечения определяется, зная наружный диаметр (Д₁) и внутренний (d₁) по формулам:

Скорость движения воздуха (С₁) в сечении 1-1 выбирается из технического описания двигателя.

Плотность воздуха (р₁) определяется из уравнения состояния идеального газа по формуле:

где R - газовая постоянная, для воздуха равная

287 дж/кгК

Р_н - давление воздуха на заданной высоте

полета н/м²

из таблицы стандартной атмосферы (приложение 5)

Р₁ - давление воздуха в сечении 1-1

П_ск – скоростная степень повышения давления

V – заданная скорость полета.

– скорость звука на заданной высоте полета (м/с)

из таблицы стандартной атмосферы.

Т₁ – температура воздуха в сечении 1-1 (°К) определяет

ся по формуле

Т_н - температура воздуха окружающей среды (°К) на заданной высоте полета ( из таблицы стандартной атмосферы).

При V=0 и Н=0 задача упрощается, т.к. в этом случае Р Т определяется по техническому описанию двигателя.

Определение длины лопатки компрессора (турбины)

Методика определения длины лопатки компрессора первой или последней ступеней аналогична и практически очень тесно связана с методикой определения секундного расхода воздуха через двигатель с той лишь разницей, что в данной задаче обычно известен расход воздуха, а также наружный диаметр Д₁ или Д₂, т.к. Д₁ ≈ Д₂ компрессора. Длину лопаток компрессора определяют на максимальном режиме работы двигателя при полете у земли и на максимальной скорости полета.

Зная величину GВ и наружного диаметра канала для той ступени компрессора, для которой определяют длину лопатки L₁, на основании уравнения неразрывности можно записать (применительно к последней ступени компрессора, т.е. сечению 2-2).

где: f₂ – площадь кольцевого проходного сечения 2-2 с наружным диаметром Д₂ (определяется замером на двигателе).

С₂– скорость воздуха в сечении 2-2 (определяется из технического описания двигателя) (м/с).

Р₂- плотность воздуха в сечении 2-2.

Так как площадь проходного сечения f₂ можно определить по формуле:

где d₂ - внутренний диаметр кольца для сечения 2-2 (м), то дальнейшая задача сводится к нахождению внутреннего диаметра d₂ кольцевого проходного сечения 2-2 по формуле:

Но для определения d₂ сначала нужно определить плотность р₂, для этого необходимо определить р₁– плотность воздуха на входе в компрессор. Для определения плотности p₁ необходимо использовать методику из предыдущей задачи и найти величину р₁кг/м³.

На основании политропического процесса сжатия с показателем политропы п =1,45-1,5 можно записать:

где П_к - степень повышения давления воздуха в компрессоре (определяется из технического описания двигателя)

Подставим р₂ в формулу определения d₂

Определив внутренний диаметр d₂, длина лопатки последней ступени определяется по формуле:

Определение площади проходного сечения для жидкости

Эту задачу решим на примере определения площади проходного сечения дроссельного крана, имея значение часового расхода топлива G_T, а также зная плотность топлива р_т.

На основании уравнения неразрывности и уравнения Бернулли для жидкостей секундную производительность дроссельного крана можно определить по формуле:

Откуда площадь проходного сечения дроссельного крана определяется:

где: G_T – секундный расход топлива через дроссельный кран (кг/сек)

р_т – плотность топлива (кг/м³)

– перепад давления на дроссельном кране

(н/м²) (определяется из технического описания двигателя)

– коэффициент расхода топлива, зависящий от геометрических размеров проходного сечения и его формы для жидкостей (типа керосин) =0,3-0,6

= 0,6 – для круглых проходных сечений

= 0,3 – для квадратных проходных сечений

Таким образом, подставив все исходные величины в формулу , получим величину площади проходного сечения дроссельного крана на каком-то определенном режиме работу двигателя.

Определение мощности, потребной для привода масляного насоса

1. Суммарная мощность (N_н_ac) нагнетающей и откачивающей ступеней равна

N_н, N_отк – соответственно мощности, потребляемые нагнетающими и откачивающими ступенями насосов.

2. Мощность, потребляемая нагнетающей (N_н) и откачивающей (N_отк) ступенями насоса, равна:

где Q_н и Q_∆– производительности соответственно нагнетающей и откачивающей ступеней насоса в л/мин.

– разность давлений масла на выходе из ступени и входе в неё (н/м²)

Р₀ – противодавление на выходе масла из откачивающей ступени (н/м²)

– механический КПД насоса - 0,89-0,9 для маслонасоса.

Данные Q_H, Q_∆ и Р_∆ взять из технического описания двигателей, а - определить.

Если в насосе имеется одна ступень, следует брать одну из формул.

Примечание: Определение мощности, потребной для привода топливных насосов шестеренчатого, плунжерного, центробежного и коловратного типов производится по этим же, выше приведенным формулам.

Определение циркуляционного расхода масла через двигатель

Для расчета циркуляционного расхода масла через двигатель необходимо определить количество тепла, отводимого маслом из двигателя - теплоотдачу в масле.

Теплоотдача в масле определяется по формулам:

где Q - количество тепла, отводимого маслом в единицу времени (Дж/мин)

G_M - циркуляционный расход масла (кг/мин)

С - теплоёмкость масла (Дж/кгк)

t₂ - температура масла на выходе из двигателя (°С)

t₁ - температура масла на входе в двигатель (°С)

Для каждого типа двигателя величина Q постоянна.

Зная t₁ и t₂ (из данных двигателя), а также теплоёмкость масла С=2,1 Дж/кгк, можно определить циркуляционный расход масла:

или объемный расход масла V_M

где р_м - плотность масла.

	Q (кДж/м)	G_M (л/м)
ТРД	(30 + 60) х 4,2	3 + 5
ТВД	(140 +200) х 4,2	12 + 30

Следует иметь в виду, что у конкретных конструкций ГТД удельная теплоотдача Q в масло и удельная прокачка его через двигатель, отнесенные к каждой 10000 Н тяги для ТРД и ТРДД и к 1000 кВт мощности для ТВД составляют следующее:

Определение циркуляционного расхода масла через опоры двигателя

Циркуляционным расходом масла называют количество масла, которое прокачивается через двигатель в единицу времени.

Потребное количество масла для каждого подшипника ротора определяется его расположением на двигателе. Масло, идущее на смазку приводов и для систем регулирования и управления, обычно составляет 20-50% от общей его прокачки через двигатель. У ТВД масло подается, кроме того, на смазку редуктора, в систему управления ВИШ и к ИКМ.

Для смазки и охлаждения опор в ТВД, ТРДД и ТРД требуется примерно одинаковое количество масла, т.к. на каждое 10000Н тяги теплоотдача в масло составит примерно (30 - 60) х 4,2 кДж/мин.

На опоры масло подается в количестве, зависящем от числа и диаметра жиклеров, подающих масло. Зная теплоотдачу (Q) в масло на каждую опору, можно определить прокачку (W) через каждую опору.

где Q - теплоотдача в масло кДж/мин. Общую теплоотдачу в масло на каждую опору, следует распределить по опорам пропорционально числу жиклеров.

С - теплоемкость масла С = 2,1 кДж/кгК

t₂ и t₁ - соответственно температуры масла на выходе и на входе в двигатель (°С) взять данные из технического описания двигателей.

Объемный расход масла определить по формуле:

где р_м= плотность масла (кг/см³)

Определение производительности насосов

1. Производительность шестеренчатого насоса

Определяется по следующей формуле:

где: W_H – действительная производительность насоса

Д_н.о.- диаметр начальной окружности (мм)

m – модуль зубьев (мм)

1 – длина зуба (мм)

n– частота вращения шестерен (об/мин)

𝜂 – коэффициент наполнения, учитывающий уменьшение фактической подачи масла по отношению к теоретической и зависящей от скорости вращения шестерен, давления на входе, вязкости и зазоров. 𝜂 = 0.75 – 0.85

Диаметр начальной окружности (Д_н.о.) определяется по формуле:

где: £ – число зубьев шестерен

m – модуль защепления

где: Д_НАР – наружный диаметр шестерен (мм)

d_вн– внутренний диаметр шестерен (мм)

h - высота зуба (мм)

Размеры шестерни замерить.

2. Производительность аксиально-поршневого (плунжерного) насоса.

Определяется по следующей формуле:

где: d,S – диаметр и ход плунжера (мм)

Z – число плунжеров

n – частота вращения ротора (об/мин)

𝜂 – 0,94 – 0,96 - коэффициент подачи.

Для определения данных насоса, входящих в основную формулу необходимо вычертить расчетную схему плунжерного насоса в масштабе 1:1 и из нее определить необходимые для формулы данные.

Полный ход плунжера равен S = ММ₀+ N₀N = 2LSinβtgγ ММо= NN₀=LSinβtgγ,

где: L – расстояние между центром поворота наклонной шайбы и точкой пересечения осей плунжеров с осью ротора насоса.

β – угол наклона оси плунжера к оси ротора/

γ – угол наклона наклонной шайбы насоса.

Коэффициент подачи учитывает утечки топлива через зазоры между плунжерами и стенками колодцев и их неполное заполнение из-за выделения газов, растворенных в топливе, от увеличения сечения топливоподающих каналов на входе.

Последний вид потерь является главными и очень резко возрастает при возникновении. Для предотвращения кавитации служат специальные подкачивающие насосы, обеспечивающие давление на входе в основной плунжерный насос.

Р_вх=(1,83-3)10⁵П_а𝜂= 0,98-0,94

В радиально-плунжерном насосе

S = el

Где е – эксцентриситет вала

3. Производительность центробежного насоса.

- объемная производительность,

где: Д – диаметр отверстия на входе в насос (см)

n_кр – частота вращения крыльчатки (1/сек)

n_кр – n_{р *}i_p

n_p – частота вращения ротора двигателя

i_p – передаточное число привода к насосу.

Производительность в (см³/сек) привести к (л/мин)

Расчет на прочность лопатки рабочего колеса турбины (компрессора)

1. Определить массу пера лопатки.

G_пл– масса пера лопатки (кг)

G_л– масса лопатки (кг)

G₃ – масса замка лопатки (кг)

причем G₃ = V₃* р_3,

где: V₃ - объем замка. Определить в см³ путем замера.

р₃ - плотность материала замка. Взять р₃= 7800 кг/м³

2. Определить положение центра тяжести пера лопатки. Принять положение центра тяжести пера на середине лопатки. Определить замером. Или расчетом:

Д_д – диаметр диска Р.К. (мм)

L_л - длина лопатки (мм).

3. Определить центробежную силу действующую на перо лопатки.

n_max – максимальная частота вращения ротора.

4. Определить напряжение растяжения в корневом сечении пере лопатки.

F_пл– площадь поперечного сечения в корневом сечении лопатки. Получить вычерчиванием профиля на миллиметровой бумаге и подсчетом мм²

5. Сравнить полученные напряжения с допустимыми. Должно выполняться условие 𝜎_р < 𝜎_вр

𝜎_вр– допустимый предел прочности материала пера лопатки.

6. Определить запас прочности в корневом сечении пера лопатки

Величину 𝜎_вр найти в приложении 6.

Определить усилие сжатия пружины центробежного регулятора на рабочих

оборотах.

1. Определить массу грузика взвешиванием или расчетом.

Для расчета нужно определить площадь поверхности грузика, а затем умножить ее на толщину грузика и получить объем грузика.

2. Определить положение центра тяжести грузика.

Данные центробежного гру-

ось вращения

зика даны на рисунке. Пользуясь данными следует найти центр тяжести грузика относительно осей координат «х-у». Ось «х» следует взять по нижней кромке, ось «у» по оси вращения. Боков-

ую площадь

грузика следует разделить

на 3 части:

1 – площадь плеча грузика с центром тяжести С₁

2 – площадь корпуса грузика с центром тяжести С₂

3 – площадь отверстия оси грузика с центром тяжести Сз

По размерам отдельных частей грузика следует

определить объем каждой части грузика - I, II,

III: V₁– объем бруска, V₂– объем бруска, V₃ –

объем цилиндра.

Значение расстояний центров тя

жести взять из рисунка, причем

Х₂=Хз.

Координаты центра тяжести

всей фигуры грузика

найти по формуле:

Определить центробежную силу, развиваемую грузиком.

где: – масса грузика (кг)

– расстояние от оси вращения до центра тяжести грузика (мм)

– частота вращения центробежного регулятора

(об/мин)

где: - частота вращения ротора двигателя (об/мин)

i_p - передаточное число к центробежному регулятору.

Данные , и взять из технического списания двигателя

4. Определить натяжение пружины регулятора на рабочих оборотах.

Из условия равновесия центробежной силы и Силы натяжения пружины: ∑М₀=0

Сила натяжения пружины (Р_пр)

где: Р_ц– центробежная сила грузиков (н)

в – расстояние от оси вращения до центра тяжести грузика (см)

в = у_с-4 (мм)

а – расстояние от оси вращения грузика до точки касания плеча с тарелкой пружины.

г - расстояние точки приложения силы от левой кромки плеча грузика = 3 мм.

Определение теплонапряженности камеры сгорания

1. Теплонапряженность (q) камеры сгорания определяется го формуле:

– коэффициент, характеризующий потери тепла в камере сгорания

= 0,96 - 0,98

Н_и– теплотворная способность топлива (кДж/кг) для керосина Н_и

Н_и = 43260 кДж/кг

G_т - часовой расход топлива

V_KC – объем камеры сгорания

Р₂ – давление воздуха на входе в камеру сгорания

Р₂= Р₁* П_ск

P₁– давление воздуха на входе в компрессор (из техописания двигателя)

В полете Р₁ = Р_н * П_ск

Р_н – статическое давление воздуха на заданной высоте полета (Приложение 5)

П_ск= (1 +0,2М²)^3.5

П_ск – скоростная степень повышения давления

V_пол– скорость полета (м/сек)

а – скорость звука (м/сек) на заданной высоте (Приложение 5)

Определение напряжения растяжения в стенках корпусов камеры сгорания под действием избыточного давления

В таблице «Стандартная атмосфера» (Приложение 5) найти Р_н, Т_н, а_н для заданной высоты полета.

Определить Р₁=Р_н- П_ск Р₁ - давление на входе в компрессор

Р₂ = Р₁* П_к,

Р₂ - давление воздуха на входе в камеру сгорания

П_к - берется из технического описания двигателя.

Наружный корпус камеры сгорания

Р – избыточное давление в камере сгорания.

– напряжение растяжения

Р – избыточное давление в камере сгорания

Д- диаметр корпуса

– толщина стенки

– угол образующей корпуса с его осью.

Для внутренней стенки при оценки устойчивости действующее напряжение или рабочее давление в камере сравнивается с критическими значениями давления и определяется запас прочности.

Значение критического давления определяется по формуле:

Е – модуль упругости материала стенки (Приложение)

– толщина стенки (см)

L – расчетная длина стенки

R – радиус внут-

Внутренняя стенка КС реннего корпуса

Запас устойчивости должен быть не менее 1,8.

Для цилиндрической стенки определяется по формуле

Должно выполняться условие < ( )

( ) - допустимое напряжение (Приложение 7).

Определение мощности стартера

Непрерывное и устойчивое горение горючей смеси в камере сгорания ГТД может быть только при непрерывном поступлении необходимого количества воздуха и при создании в ней необходимого избыточного давления.

Для создания этих условий необходимо обеспечить вращение ротора компрессора. Вращение компрессора требует определенной мощности, величина которой определяется по формуле:

В общем виде момент стартера определяется следующим уравнением

М_пр – момент прокрутки, складывается из моментов, затрачиваемых на преодоление трения в подшипниках ротора, на привод агрегатов, на преодоление газодинамических сил, возникающих на лопатках компрессора и турбины

М_уск– момент, затрачиваемый на ускорение вращения ротора

М_т– момент развиваемый турбиной.

Момент прокрутки для предварительных расчетов можно принять:

где: М_max – момент, затрачиваемый на вращение ротора двигателя на максимальных оборотах.

х = 2,4-2,6 для двигателей с осевым компрессором.

При запуске ГТД с двухроторным компрессором раскручивается ротор только КВД. В этом случае в формулу определения М_кр следует подставлять значения M_max и n_max, подсчитанные для ротора высокого давления.

где: N_k – мощность, затрачиваемая на привод компрессора на n_max или n_ра6ТВД (для двухроторных ГТД только N_квд)

N_arp – мощность, затрачиваемая на привод агрегатов

N_вв – мощность, затрачиваемая на привод воздушного винта (для ТВД)

N_max – максимальная определяется по формуле:

где: – массовый полярный момент ротора, приближенно подсчитываемый по формуле:

где: Д_к и Д_т – максимальные диаметры роторов компрессора и турбины

i_К и i_T – число ступеней компрессора и турбины

К_к = 0,3 – 0,35, К_т= 0,95 –1,05

Е – угловое ускорение ротора

Момент, развиваемый турбиной, для предварительных расчетов может быть принят равным нулю.

Таким образом, в общем виде мощность стартера, необходимая для раскрутки ротора при различных частотах вращения n, определяется по формуле:

Максимальное значение мощности стартера определится по формуле:

М_0ст – начальный момент стартера при n=0

С – коэффициент, равный тангенсу угла наклона прямой изменения

М_ст по оборотам С= 0 – 0.03 определяется по графику.

Определение производительности рабочей форсунки

Производительность (пропускная способность) форсунки – определяется по формуле:

где: – коэффициент подачи = 0,6 -0,85

F – площадь соплового отверстия форсунки

р_т - плотность топлива

= Р_т - Р_к – перепад давления на форсунке

Р_т – давление топлива перед форсункой

Р_к=Р*П_к – давление в камере сгорания

Расчет вала на кручение

Крутящий момент передаваемый через вал вызывает скручивание вала

где: N - передаваемая мощность (квт)

n -обороты вала (об/мин)

Напряжение кручения в сечении вала

где: W_p – момент сопротивления вала кручению (мм³)

для полых валов

где: Д – наружный диаметр вала (см)

d- внутренний диаметр вала (см)

Полученные напряжения сравнить с допустимыми. Должно соблюдаться условие

Определить запас прочности вала на кручение

Расчет на прочность гидроципиндров и гидроаккумуляторов

a) Определение минимальной толщины стенки гидроагрегата.

где: толщина стенки агрегата (см)

р – максимальное рабочее давление внутри агрегата

(н/см²)

d – внутренний диаметр агрегата

𝜎 – предельно допустимые напряжения

где – взять из таблицы приложения

к – коэффициент запаса прочности (к=1,5-2)

Учитывая требования жесткости и прочности для сосудов, работающих с давлением до 300 кг/см², коэффициент безопасности может быть 1,5-3.

Полученную величину стенки умножить на 1,5-З.

После это проверить стенку на прочность.

b) Проверка на прочность резьбы крышек агрегатов.

где: Р_рез – усилие, действующее на крышку агрегата и воспринимаемое резьбой

Р_max – максимальное давление в агрегате (н/см²)

F – площадь крышки (см² )

d₁– внутренний диаметр резьбы

Н_рез – высота резьбы

(𝜎)_рез= - предельно допустимое напряжение

К – коэффициент запаса прочности

c) Проверка болтов крепления крошек агрегатов на растяжение от осевых нагрузок.

где: Р_ос= – осевая нагрузка на один болт

Р_max – максимальное давление в агрегате (н/см²)

F – площадь крышки (см²)

n – количество болтов

d – диаметр болта (см)

( )= предельно допустимое напряжение

к – коэффициент запаса прочности (к=1,5-2)

d) Проверка на устойчивость от продольного изгиба штока поршня гидроцилиндра.

где: Е – модуль упругости первого рода (Е=2*10⁷МП_а)

У – момент инерции сечения при изгибе

где: Д и d – наружный и внутренний диаметры штока

L – длина штока

µ – коэффициент приведения длины

P_факт=P*F (н/см²) – фактическое усилие на штоке.

Условие устойчивости:

Р_кр≥ Р_факт*n_уст

n_уст – коэффициент запаса устойчивости (n_уст=1,7-3)

Расчёт замка лопатки типа «Ласточкин хвост»

Замок лопатки рассчитывается на смятие боковой поверхности замка от действия центробежных сил. Центробежная сила создает у боковых поверхностей замка нормальные силы, вызывающие напряжения снятия.