Министерство образования и науки Российской Федерации
Филиал ФГБОУ ВО СПБГУ ГА
«Якутское авиационное техническое училище гражданской авиации»
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине: Конструкция двигателя АИ-24
на тему: техническое описание и анализ конструкции узла турбины АИ-24 (2 серии). Рассчитать рабочую лопатку турбины на растяжение от действия центробежных сил.
Выполнил курсант группы ТМ-14
Осипов Григорий Семенович
Преподаватель:
Бурнашев Валерий Еремеевич
г. Якутск 2017
Содержание
Введение
Глава 1. Сведения двигателя Аи-24 и узла турбины двигателя
Описание и анализ газовой турбины авиационного турбовинтового двигателя Аи-24 2-серии
1.1.1 Требование к конструкции и условия её работы
1.1.2 Описание конструкции турбины
1.2 Принцип работы ГТД
1.3 Дефекты и неисправности газовых турбин при эксплуатации
турбина узел центробежный
Введение
Широкое применение осевых газовых турбин в авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) обусловлено, прежде всего, их высокой энергоемкостью и экономичностью. Именно эти преимущества газовых турбин наряду со сравнительной простотой и надежностью и определили доминирующее положение газотурбинных двигателей в авиации, их широкое применение в энергетике и при транспорте природного газа.
Мощность, экономичность и надежность работы газотурбинного двигателя в значительной степени определяется совершенством конструкции и рабочего процесса турбины. Поэтому к турбинам предъявляются ряд требований, основными из которых являются:
1. Газовая турбина должна иметь большую долговечность и надежность, что обеспечивается: высоким качеством применяемых материалов и тщательным контролем за состоянием основных элементов турбины в эксплуатации; применением специальной системы охлаждения, обеспечивающей отвод тепла от самых нагруженных узлов турбины; точным выполнением требований инструкций по летной и технической эксплуатации двигателя.
2. Газовая турбина должна иметь высокий коэффициент полезного действия. С увеличением КПД турбины, увеличивается работа расширения газа, которая преобразуется в механическую работу и используется для вращения компрессора, несущего, рулевого винтов и вспомогательных агрегатов. Это приводит к уменьшению удельного расхода топлива и удельной массы двигателя. Увеличение КПД турбины достигается: оптимальным выбором числа ступеней турбины компрессора и свободной турбины; уменьшением потерь на трение и предотвращением срыва потока путем тщательной обработки профилей лопаток; уменьшением потерь на перетекание рабочего газа по радиальным зазорам.
3. Газовая турбина должна развивать большую мощность при минимальной массе и габаритах. Мощность турбин современного ГТД достигает 10000 л. с. (7350 кВт) и более. Масса турбин составляет 25--35% массы всего двигателя.
Увеличение мощности турбин обеспечивается: увеличением температуры газов перед турбиной достигающей для современных ГТД 1600 К; применением специальных жаропрочных и жаростойких материалов для изготовления основных высоконагруженных узлов турбин; оптимизацией рабочего процесса расширения газа в турбине.
4. Газовая турбина должна обладать хорошей технологичностью конструкции, обеспечивающей простоту технического обслуживания и эксплуатации.
Глава 1. Общие сведения двигателя АИ-24 II серии
Двигатель АИ-24 II серии--высотный турбовинтовой работающий с воздушным винтом левого вращения. Двигатель состоит из следующих основных частей: планетарного редуктора, лобового картера, осевого 10-ступенчатого компрессора, камеры сгорания кольцевого типа, трехступенчатой реактивной турбины, нерегулируемого реактивного сопла и агрегатов, обслуживающих двигатель и самолет. Характерной особенностью двигателя является наличие систем, автоматически предохраняющих двигатель от перегрузок по мощности и по температуре газов. Система автоматического ограничения двигателя по мощности обеспечивает прямое воздействие крутящего момента на валу двигателя, превышающего заданную величину настройки, на уменьшение расхода топлива, поступающего к рабочим топливным форсункам, и поддерживает постоянной максимально допустимую мощность. Система автоматического ограничения двигателя по температуре газов обеспечивает прямое воздействие температуры газов за турбиной, превышающей заданную величину настройки, на уменьшение расхода топлива, поступающего к рабочим топливным форсункам, и поддерживает постоянной максимально допустимую температуру газов.
1.1 Описание и анализ газовой турбины авиационного турбовинтового двигателя Аи-24 2-серии
1.1.1 Требование к конструкции и условия её работы
Турбина -- осевая, реактивная, трехступенчатая, состоит из ротора и статора; проточная часть ее представляет собой плавно расширяющийся канал с постоянным средним диаметром.
В проточной части происходит преобразование тепловой энергии газа в механическую.
Газ с повышенной температурой и с избыточным (против атмосферного) давлением, обладая определенным запасом потенциальной энергии, поступает в турбину. В сопловом аппарате происходит частичное расширение газа, в результате чего он приобретает некоторую скорость. Выйдя из соплового аппарата, струя газа попадает на рабочие лопатки, где изменяется ее направление и происходит дальнейшее расширение газа. Вследствие поворота струи и увеличения скорости развивается сила, приложенная к лопаткам, которая и производит механическую работу, используемую для привода компрессора, воздушного винта и агрегатов.
В турбине срабатывается весь теплоперепад, т. е. расширение газа происходит до атмосферного давления за последней ступенью.
Общий теплоперепад по ступеням распределяется следующим образом: I ступень --30%, II ступень --33% и III ступень --37%.
Повышение нагрузки на II и III ступенях выполнено для более эффективного срабатывания теплоперепада, так как высота лопаток от I до III ступени увеличивается, а следовательно, относительные потери будут уменьшаться.
С целью снижения потерь (в результате перетекания газа) радиальные зазоры между торцами рабочих лопаток и статором выполняются минимальными, а для предотвращения поломки лопаток при касании их о статор турбины в наружных кольцах сопловых аппаратов вмонтированы металлокерамические вставки.
С целью сведения к минимуму потерь в результате перетекания газа через зазоры между внутренними корпусами сопловых аппаратов и ротором турбины предусмотрены лабиринтные уплотнения, образованные кольцевыми гребешками, выполненными «а ступицах дисков I и II ступеней, и уплотнительными кольцами с металлокерамическими вставками.
1.1.2 Описание конструкции турбины
Турбина -- осевая, реактивная, трехступенчатая, состоит из ротора и статора.
Ротор турбины
Ротор турбины состоит из рабочих колес I, II и III ступеней вала турбины 1, роликоподшипника 3, внутренняя обойма которого садится с натягом на вал, и крепежных деталей.
В стыках между дисками рабочих колес и между диском I ступени и валом турбины размещены втулки 11, по восемь в каждом стыке, которые служат для передачи крутящего момента от рабочих колес на вал турбины.
Рабочие колеса к валу турбины крепятся восемью стяжными болтами 12 с гайками 13. Величина силы затяжки гаек контролируется величиной вытяжки болтов. Гайки стяжных болтов контрятся попарно пластинчатыми замками.
На валу ротора турбины установлены элементы уплотнения масляной полости подшипника -- лабиринтные кольца 4 к 5, которые вместе с внутренней обоймой подшипника стягиваются гайкой 2 и контрятся пластинчатым замком.
Ротор турбины консольно расположен на двух опорах. Передней опорой ротора является шлицевый носок вала, а задней -- роликовый подшипник, наружная обойма которого устанавливается в корпусе камеры сгорания.
Вал турбины состоит из следующих основных частей: переднего носка, цилиндрической средней части, посадочного пояска под подшипник и заднего фланца.
Передний носок вала имеет внутренние эвольвентные шлицы, посредством которых соединяется со шлицами заднего вала компрессора.
Посадочный поясок под подшипник изготовлен по первому классу точности, на пояске выполнены продольные пазы с целью уменьшения поверхности контакта с внутренней обоймой подшипника. В передней части пояска имеется резьба под гайки крепления внутренней обоймы подшипника и лабиринтных колец.
На фланце вала выполнены отверстия под стяжные болты, гнезда под втулки и отверстия для подвода охлаждающего воздуха к рабочему колесу II ступени, в которых имеется резьба для завинчивания упорных штырей при разборке ротора.
Рабочее колесо I ступени состоит из диска 8, рабочих лопаток 10, законтренных пластинчатыми замками 9, и дефлектора 7, который от проворота относительно диска фиксируется двумя штифтами 6.
В ступичной части диска выполнены центровочные пояски, передним из которых диск садится на вал, а задним -- на диск II ступени. Для крепления дефлектора в передней части диска имеются выступы и кольцевой поясок с отверстиями для подвода охлаждающего воздуха. На периферии диска выполнены четырехзубые елочные пазы для крепления рабочих лопаток.
Дефлектор рабочего колеса обеспечивает эффективное охлаждение диска и замковых соединений рабочего колеса. Он состоит из ступичной части, на которой выполнены четыре кольцевых гребешка лабиринтного уплотнения и отверстия под штифты, полотна и выступы для крепления дефлектора на диске.
Рабочая лопатка состоит из профильной части -- пера, полки и четырехзубого замка типа «елочки», с помощью которого осуществляется крепление с диском. Вдоль контура верхнего торца пера, со стороны спинки, выполнена фаска для уменьшения толщины торца пера с целью лучшей приработки по металлокерамическим вставкам. При монтаже диск лопатки подбираются по тангенциальному люфту и по весовым моментам.
Рабочее колесо II ступени имеет конструкцию, подобную колесу I ступени, отличаясь от последнего конфигурацией и размерами деталей.
Рабочее колесо III ступени выполнено без дефлектора. В центральной части диска III ступени с задней стороны выполнен фланец 14 для снятия рабочего колеса III ступени при разборке ротора.
Стяжной болт имеет: посадочный поясок, которым плотно посажен в отверстие на фланце вала турбины, опорные пояски, резьбовой участок и четырехгранник, с помощью которого болт удерживается при затяжке и отворачивании гаек.
Гайки на гранях имеют отверстия для заливки керосина перед разборкой ротора; для предохранения от пригорания они омедняются.
Роликоподшипник турбины имеет внутреннюю гладкую и наружную с буртиками обоймы. Сепаратор подшипника -- цельный, с прямоугольными окнами, изготовлен из бронзового сплава. Для облегчения сепаратора и улучшения смазки подшипника по внутреннему диаметру с обеих сторон выполнены фаски, а по наружному диаметру -- проточка.
Для фиксации вала турбины в определенном осевом положении относительно торца фланца соплового аппарата I ступени и компенсации набегания допусков служит упорная втулка 2, имеющая градацию по длине.
Для обеспечения осевого люфта ротора турбины на хвостовике вала компрессора расположена дистанционная втулка 1, которая одновременно служит контровкой гайки крепления внутренней обоймы шарикоподшипника на заднем валу компрессора.
Ротор турбины динамически балансируется перед постановкой его на двигатель. Уравновешивание масс ротора производится за счет снятия металла на дефлекторе рабочего колеса I ступени и полотне диска III ступени, а также перестановкой рабочих лопаток с разными весовыми моментами и подбором соответствующих градаций балансировочных болтов 15.
Рабочие колеса ротора при сборке на двигателе устанавливаются относительно вала и друг друга по меткам в том положении, в котором они находились при балансировке.
Статор турбины
Статор турбины состоит из сопловых аппаратов /, // и /// ступеней. Лопаточная решетка сопловых аппаратов выполнена с сужающимися каналами, выходная часть которых заканчивается косым срезом.
Сопловой аппарат I ступени
Сопловой аппарат I ступени состоит из наружного кольца 6, охлаждаемых воздухом лопаток 5 и внутреннего корпуса. По внутренней поверхности наружного кольца центрируется камера сгорания.
|В наружном кольце выполнены профилированные прорези, в которые вставляются лопатки, и кольцевой паз, в котором размещаются металлокерамические вставки 9. Для монтажа вставок на торце заднего фланца выполнены три паза, которые закрываются замками, соединенными с наружным кольцом с помощью заклепок.
На заднем фланце наружного кольца между отверстиями под болты выполнены выборки для уменьшения перепада температуры по высоте фланца.
Лопатка соплового аппарата I ступени -- пустотелая, в выходной ее кромке выполнены щели, а корневая часть заканчивается хвостовиком с пазом для фиксации лопатки от перемещения в радиальном направлении. Во внутреннюю полость лопатки вставлен дефлектор, выштампованный из листового материала и припаянный к лопатке по наружному торцу. Со стороны внутреннего торца в лопатку вставлено и заварено донышко.
Внутренний корпус соплового аппарата I ступени состоит из кольца 5 с профилированными прорезями, конуса 3, кольца /, установочного кольца 10, кольца 4 и фланца 2.
На установочном кольце выполнены девять выступов, с помощью которых крепится соответствующими выступами стопорное кольцо 7. От проворота стопорное кольцо контрится тремя пластинчатыми замками.