ТВлД для вертолёта

Дипломный проектНА ТЕМУ: ТВлД для вертолета.ДипломантКонсультантРецензентМатушкин А.А.Нестеренко Н.Г.Дьяченко Д.А.ЗаданиеТема дипломного проектаПроектирование ГТД для вертолёта.N Э  2800 л.с.  2059400 Вт(1 л.с.  735.5 Вт)TГ*  1412 KТема специальной частиРасчет на прочность 1 ступени свободной турбины с помощью метода конечныхэлементов в пакете MSC.Patran/MSC.Nastran.Тема технологический частиПроизводство завихрителя методом селективного лазерного спекания..Тема организационно-экономический частиРасчет жизненного цикла двигателя.Охрана труда и техника безопасности.Безопасность труда при сборке изделия с помощью аргонно-дуговой сварки.ВведениеАвиационные газотурбинные двигатели (ГТД) развиваются уже болееполувека.

Чуть меньше период развития вертолетных ГТД. За это время данный типсиловой установки (СУ) прошел несколько этапов развития, которыехарактеризуются постоянным ростом параметров рабочего процесса,совершенствованием конструкции, улучшении выходных данных.Расширение диапазона применения ГТД как по высоте и скорости полета,так и по условиям эксплуатации (температуре и давлению атмосферного воздуха,климатическим условиям, наличию пыли, порывам ветра, турбулентностиатмосферы и др.) определяет необходимость сложнейшего комплекса доводочныхработ, итогами которых является сертификация двигателя. Хотя подобныепроблемы свойственны в той или иной мере авиационным ГТД всех типов, особуюостроту, повышенную неопределенность и сложность они приобрели длявертолетных ГТД.Особенности, присущие ГТД этого типа (малоразмерность, особо тяжелыеусловия эксплуатации,характер взаимодействия с ЛА идр.),являютсясущественными факторами, которые необходимо учитывать на протяжении всегожизненного цикла двигателя — от проектирования до эксплуатации.Разработка газотурбинной СУ для современных вертолетов являетсясложным и трудоемким процессом, требующим решения множества проблем газои аэродинамики, прочности, механики, конструкционных материалов,химии ифизики.

Очевидно, что резервы повышения эффективности имеются на всехстадиях и этапах жизненного цикла вертолетных ГТД.Процесс создания вертолетного ГТД неразрывно связан с формированиемконструктивного облика, который в свою очередь во многом определяетсяназначением вертолета, параметрами рабочего процесса, газодинамическимсогласованием, прочностными характеристиками. Конструктивно схемное решениевыбирается в зависимости от суммарной степени повышения давления и еераспределениям по каскадам, числа и вида ступеней компрессора и турбины, схемыпередачи мощности потребителю. Принятое решение должно обеспечиватьминимальные размеры и массу при полном удовлетворении норм прочности инадежности, минимальный уровень вибраций, удобство эксплуатации и ремонта.Перспективыразвитиявертолетных ГТДсоответствуюттенденциямавиационных ГТД большой размерности, но при этом существуют и специфическиеособенности этих двигателей, в основном определяемые их схемами, параметрами,размерностьюиусловиямиэксплуатации.Особенностьсовершенствованияконструктивной схемы применительно к вертолетным газотурбинным двигателям:вывод вала свободной турбины как вперед так и назад; реализация встроенногоредуктора свободной турбины, преобразующего частоту вращения ротора в некуюстандартную частоту; использование наклонных камер сгорания, противовращениеротора турбины компрессора и свободной турбины; применение подшипников нагазовой смазке, электромагнитных подшипников; интегрированная электроннаясистема автоматического управления (САУ) (двигатель + ЛА).

Характерные длявсехвидовГТДкомпозиционныхиперспективыразвития:керамическихматериалов;использованиеинтеграцияжаропрочныхГТУвЛА;использование новых топлив; адаптивная система контроля на основе нелинейноймодели. (В частности в США по этим темам осуществляются работы попрограммам VAATE, IHPTET, ManTech).Требования, которые должны быть достигнуты в современных вертолетныхГТД:-увеличение ресурса, межремонтного 4...5 тыс.ч; полного 12...15 тыс.ч;-доведение наработки на отказ в полете до 20...50 тыс. ч;-снижение трудозатрат на обслуживание до 0,25...0,3 ч/ч;-снижение удельной массы на 0,01...0,015 кг/.с.ж-улучшение экономичности на 10...20%Использование современных цифровых технологий, в том числе САПРпозволяет сократить стоимость и время разработки двигателя, улучшить еговесовые и газодинамические показатели.

Повышение характеристик достигается втом числе за счёт численных расчётов газодинамических течений и прочности.Проведение численного моделирования напряженно деформированного состояниядеталей и их динамических характеристик, дает более точные результаты чеманалитические расчеты, это позволяет оптимизировать массу детали, уменьшитьзапас прочности, найти и исправить слабые места в конструкции. Расчеттрехмерных течений в тракте двигателя и лопаточных решеток по объемныммоделям, позволяет оптимальным образом спроектировать профиля и достичьмаксимального КПД компрессора и турбины. Технологическая подготовкапроизводства по трехмерным моделям позволяет в некоторых случаях отказаться отбумажных чертежей, в частности при создании деталей по выплавляемым моделям,обработке на станках с ЧПУ, что повышает точность изготовления и времяосвоения серийного производства.Создание семейств двигателей различной тяги (мощности) и назначения наоснове базового изделия является одним из наиболее важных путей снижениястоимости жизненного цикла и повышения "доступности".

Преимущества отунификации за счет создания семейств двигателей проявляются на всех этапахжизненного цикла. Для реализации этого подхода необходимо наличие у базовогодвигателя "запаса на развитие".Практика показывает, что современные вертолеты состоят на службе не менее 25-30лет. Расширение в течение этого периода функций, объема и сложностивыполненных ими задач обусловливают необходимость проведения модернизациидвигателей.Поэтому одним из актуальных направлений развития семействаявляется создание модификаций с различными техническими характеристикамипри габаритных ограничениях, налагаемых требованиями взаимозаменяемости сисходной (базовой) моделью двигателя.

Это делает необходимым применениеновых конструктивно-технологических решений, присущих двигателям новогопоколения.Таким образом, использование новейших достижений придает новоймодификации черты двигателя следующего поколения, но при этом ее созданиеобходится намного дешевле разработки совершенно нового двигателя той же тяги.Описание конструкциипрототипа.ВведениеПрототипом для создания вертолетного ГТД выбран двигатель ТВ7-117,номинальной мощностью 2500 л.с. Двигатель предназначенный для установки навертолеты средней грузоподъемности, как с выводом вала назад (типа Ка-52), так ис выводом вала вперед (типа Ми-38).

Двигатель - двухвальный с нерегулируемымдозвуковым реактивным соплом с общей турбиной для осевого и центробежногокомпрессора и отдельной силовой турбиной. Применение такой схемы объясняетсяее эксплуатационными преимуществами. На двигателе имеется встроенная системадиагностики технического состояния. Встроен измеритель крутящего момента.Внешний вид прототипа представлен на рис.1, основные тактико-техническиехарактеристики приведены на рис.1.Двигатель выполнен модульным (верхняя и нижняя коробки приводов,центральный привод, осевой компрессор, турбокомпрессор, свободная турбина,выходное устройство). Замена модулей не требует дополнительной балансировки иможет быть выполнена в условиях аэропорта.

На двигателе введена новая цифроваяэлектронная система управления и контроля типа FADEC БАРК-57.Табл.1 Основные параметрыНаименование величиныЕдиницы измерения ОбозначениеВзлетная мощностьл.с.Ne взлУдельный расход топливаКг/л.с.ч.СеСтепень сжатия компрессораπкТемпература газов перед турбиной КТгРасход воздухаКг/сGвМасса двигателякгМдвРис.1 Внешний вид прототипаВеличина28000,1991715109,2360Особенности конструкцииВ разработанном двигателе вместо последних 5 осевых ступеней применена1 центробежная ступень.

Это вызвано тем, что при заданных параметрах двигателяприменение только осевых ступеней является нецелесообразным из-за большогоколичества ступеней, что вызовет рост длины двигателя и приведет к чрезмерномууменьшению высоты лопаток последних ступеней, что особенно актуально прималых массовых расходах. Относительный радиальный зазор у таких лопатокполучается очень большим, гидравлические потери растут, а КПД падает. Так же сиспользованием дозвукового компрессора, была устранена проблема затуплениякромок лопаток и соответственно ухудшения обтекания последних, что сказываетсяна КПД двигателя.Особенностью согласования компрессора и турбины такой схемы являетсято, что наряду с обеспечением согласования числа оборотов, окружных скоростей икоэффициентов производительности необходимо выбрать такое распределениеработ сжатия между осевым и центробежным компрессором, при которомпоследний может быть выполнен с допустимыми окружными скоростями,габаритами и КПД.К основным достоинствам центробежного компрессора относятся:относительно большая степень повышения давления в одной ступени (4-8 и более);достаточно широкий диапазон рабочих режимов; небольшое число деталейсложной формы; меньшую чувствительность к условиям эксплуатации.