Методические указания к выполнению курсового

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Московский Государственный Технический Университет
«МАМИ»
Кафедра «Транспортные ГТД»
Одобрено
методической комиссией
факультета ЭМиП
Методические указания к выполнению курсового проекта по
курсу «Динамика и прочность турбомашин»
( специальность 101400 Газотурбинные, паротурбинные
установки и двигатели»).
Костюков А.В.
Москва 2006
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
1. Цель и задачи курсового проекта…………………….. ……………….3
2. Содержание, объем и порядок выполнения проекта………………….3
2.1. Графическая часть проекта……………………………………………3
2.2. Порядок выполнения проекта…………………………………………6
2.3. Пояснительная записка проекта………………………………………7
3. Строки выполнения проекта……………………………………………7
4. Защита проекта…………………………………………………. .. …….8
5. Оценка проекта и его защиты ………………………………………….9
Литература…………………………………………………………………10
Приложение 1. Задание на выполнение курсового
проекта……………………………………………………………………..11
Приложение 2. Образец выполнения графической части
проекта………………………………………………….………………….12
2
1. Цель и задачи курсового проекта.
Заданием
на
курсовой проект
предусматривается
самостоятельная
конструкторская разработка турбокомпрессора газотурбинного двигателя
(ГТД) на основе газодинамического расчета проточной части, выполненного
в рамках учебного курса «Энергетические машины и установки».
Задачи проектирования:
1. Изучить основные способы профилирования элементов проточной
части турбокомпрессора ГТД.
2. Изучить основные методы расчета на прочность деталей и узлов ГТД.
3. Познакомиться с основными конструктивными и компоновочными
схемами турбокомпрессоров ГТД.
4. Познакомится
с
основными
элементами
конструкции
турбокомпрессора (входные устройства, конструкция центробежных
компрессоров, конструкция турбин, конструкция силовых элементов
ГТД, конструкция опор ГТД, элементы конструкции маслосистемы
ГТД, конструкция элементов воздушных и масляных уплотнений и
т.д.).
5. Изучить материалы, используемые в конструкции турбокомпрессора
ГТД.
6. Ознакомиться со сборкой и разборкой турбокомпрессора ГТД.
2.Содержание, объем и порядок выполнения проекта.
На проект выдается задание (см. приложение), в которое могут быть
включены элементы самостоятельных исследований.
Проект состоит из графической части и пояснительной записки.
2.1. Графическая часть проекта.
Графическая часть проекта состоит из 4-х листов. Все чертежи
выполняются на листах формата А1.
1 лист – профилирование ступени компрессора (см.рис.1) включает
3
профилирование неподвижного направляющего аппарата, рабочего колеса,
безлопаточного и лопаточного диффузоров. При выполнении 1 листа следует
использовать пособие для курсового и дипломного проектирования (1).
Для
профилирования
ступени
компрессора
необходимо
выполнить
следующие расчеты:
1. расчет построения лопатки вращающегося направляющего аппарата в
цилиндрических сечениях рабочего колеса;
2. расчет
построения
канала
рабочего
колеса
в
меридиональной
плоскости (построение центроиды);
3. расчет построения обводов втулки и покрывного диска рабочего
колеса;
4. расчет построения каналов диффузоров.
После выполнения расчетов в соответствии с рис.1 выполняется
профилирование элементов компрессора и строятся графики зависимостей
площади проходного сечения межлопаточного канала, эквивалентного угла
по длине центроиды, а также площади и эквивалентного угла по длине
диффузора
F=F(S); θэкв = θ(S); Fдиф = F(S) и θэквдиф = θ(lдиф); наносятся
основные размеры и параметры ступени компрессора.
2лист – профилирование ступени турбины (см.рис.2) включает
профилирование соплового аппарата и рабочей решетки турбины.
При выполнении 2 листа необходимо использовать методическое пособие
(2).
После
выбора
основных
параметров
решеток
производится
(в
соответствии с рис.2) профилирование решетки соплового аппарата по
среднему сечению, а также профилирование рабочей лопатки турбины по 3 –
м сечениям: периферийному, среднему и корневому. Строятся треугольники
скоростей на входе и выходе из решеток, наносятся основные обозначения и
размеры осевой ступени турбины.
3 лист – схемы расчета дисков и ротора турбокомпрессора на прочность
(см.рис.4) включает расчет дисков компрессора и турбины на прочность,
4
расчет
лопатки
осевой
турбины
на
прочность
и
расчет
ротора
турбокомпрессора с целью определения критических оборотов.
При выполнении прочностных расчетов студентами могут использоваться
инженерные одномерные методики (3,6,7), а также современные программы
ANSYS, NASTRAN и т.д.
В расчете на прочность диска рабочего колеса компрессора определяются
(по пособиям 3,7 или 4,5) напряжения в диске, коэффициенты запаса
прочности.
В расчете рабочей лопатки на прочность определяются (по пособиям 3,6
или 4,5) напряжения растяжения от центробежных сил.
В расчете диска турбин на прочность с учетом изменения температуры
по радиусу диска (по пособиям 3,7 или 4,5) определяются напряжения в
диске,
коэффициент
зависимостей
запаса
температуры,
прочности
радиальных
диска
и
и
строятся
графики
тангенциальных
или
эквивалентных напряжений в функции от радиуса: t = t(r), σr = σ(r) , σθ = σ(r)
или σэкв=f(r)
Выполняется расчет ротора турбокомпрессора с целью определения
критических оборотов nкр. (3,8 или 4,5), определяется коэффициент запаса
прочности по разрушающим оборотам, строится схема ротора.
После выполнения всех расчетов 3 лист оформляется в соответствии и
рис.4.
4
лист
–
конструкция
турбокомпрессора
(см.рис.5.)
включает:
продольный разрез турбокомпрессора с несколькими дополнительными
сечениями и разрезами, необходимыми для выяснения его конструкции. На
чертеже общего вида турбокомпрессора даются технические условия и
специальные указания на сборку.
При выполнении 4 листа необходимо использовать пособия (1,2,3),
имеющиеся в кабинете “конструкции ГТД” кафедры натурные разрезные
образцы и макеты элементов и узлов ГТД, а также синьку прототипа
5
турбокомпрессора, выдаваемую каждому студенту с заданием на курсовой
проект.
Оформление всех чертежей выполняется в соответствии с ЕСКД .
2.2. Порядок выполнения проекта.
На основании газодинамических расчетов на листе в масштабе строится
проточная часть проектируемого турбокомпрессора.
Выполняется предварительная эскизная компоновка (эскизный чертеж)
турбокомпрессора, которую желательно выполнять в одной из САD
программ («Компас», «ABTOCAD», и др. ). Работа над эскизной
компоновкой ведется постепенно, начиная с решения важных и главных
вопросов , переходя к второстепенным. В начале выбирается силовая схема и
расположение опорных и упорно-опорных подшипников, схема ротора и
способ крепления дисков к валу ротора, рабочих лопаток к диску,
конструкция газовых и масляных уплотнений, способ смазки основных узлов
ротора, охлаждение элементов проточной части турбины и т.д.
После
выполнения
предварительной
компоновки
производится
профилирование основных узлов компрессора и турбины.
Затем выполняются все необходимые расчеты на прочность, на основании
которых уточняются размеры основных узлов турбокомпрессора и вносятся
исправления
в
эскизную
компоновку.
конструкция
турбокомпрессора,
включая
Окончательно
отрабатывается
изображение
необходимых
дополнительных разрезов и сечений. По окончании работы над чертежами
студент окончательно проверяет правильность принятого конструктивного
решения, графического изображения, возможность сборки и разборки
турбокомпрессора по отдельным элементам и т.д. После проверки листы
подписываются студентом – автором проекта и консультантом.
Окончательно оформленная и сброшюрованная пояснительная записка к
проекту сдается консультанту на проверку не менее чем за три дня до защиты
проекта.
6
2.3. Пояснительная записка проекта.
Пояснительная записка к проекту должна содержать:
а)
задание на проектирование;
б) исходные газодинамические расчеты турбомашин (выполненные по
курсовому проекту или домашнему заданию по курсу «Энергетические
машины и установки»);
в)
краткое
техническое
описание
конструкции
спроектированного
турбокомпрессора;
г) расчеты по профилированию компрессора и турбины;
д) расчеты на прочность дисков, лопаток ротора турбокомпрессора;
е)
спецификацию
материалов,
используемых
в
основных
узлах
турбокомпрессора;
ж) список используемой литературы;
з) оглавления.
В тексте пояснительной записки необходимо выделить величины,
полученные в результате расчетов. Используемые в расчетах формулы,
зависимости, а также допускаемые значения рассчитываемых величин
(допускаемые напряжения, запасы прочности и т.д.) должны иметь ссылку на
литературный источник, откуда они взяты.
3. Сроки выполнения проекта.
Графиком предусматривается равномерная работа над проектом в течении
всего времени, отведенного для проектирования. Студенты выполняют
проект в течении 12 рабочих недель, считая с начала семестра. Сроки
выполнения отдельных этапов работы даны в табл.1.
Кафедрой устанавливаются следующие сроки контрольных проверок
готовности курсового проекта:
1 смотр – через 4 – 5 недель после начала проектирования;
2 смотр – через 9 – 10 недель после начала проектирования.
7
Таблица 1.Порядок выполнения курсового проекта.
№№
ПП
Этапы работы
Сроки
% общего
окончания
объема
работы
работы
1
Профилирование компрессора.
3 неделя
15-20
2
Профилирование турбины.
5 неделя
10-15
3
Расчеты на прочность, колебания и
8 неделя
30
10 неделя
20-25
11 неделя
10-15
12 неделя
5
критическое число оборотов ротора
турбокомпрессора.
4
Выполнение предварительного
эскизного чертежа турбокомпрессора.
5
Внесение поправок в предварительную
компоновку и вычерчивание чертежей.
6
Написание пояснительной записки к
проекту и подготовка к защите.
Смотры проводятся комиссией, выделенной кафедрой. На смотре студент
предъявляет
все
материалы
по
проектированию.
На
основании
представленных материалов устанавливается процент готовности проекта. В
случае отставания от графика комиссией выносится заключение о работе
студента, которое подается декану факультета.
4. Защита проекта.
Защита проекта происходит перед комиссией, назначенной заведующим
кафедрой. Комиссия состоит из двух – трех преподавателей кафедры,
ведущих курсовое и дипломное проектирование.
К защите проекта допускаются студенты, закончившие проекты,
получившие
подписи
руководителя
проекта
на
всех
листах
и
в
пояснительной записке к проекту.
Для студентов, окончивших проект досрочно, кафедрой назначаются дни
и часы для работы комиссии. Для защиты необходимо записаться заранее (не
8
позже чем за один день до защиты) у секретаря кафедры и взять в деканате
направление на досрочную защиту.
Студенты, не защитившие проект в установленные сроки, допускаются к
защите при наличии допуска из деканатов. Сроки защиты устанавливаются
кафедрой.
5. Оценка проекта и его защиты.
Перед началом защиты члены комиссии просматривают выполненную
работу. После доклада студента (5 – 7 минут), ему задают вопросы по всему
комплексу работы над проектом.
На основании защиты проекта проставляется оценка по четырехбальной
системе: отлично, хорошо, удовлетворительно и неудовлетворительно.
При
оценке
проекта
учитываются:
степень
самостоятельности
конструктивной разработки, правильность принятых решений и качество
выполнения чертежей, пояснительной записки, доклада, правильность и
полнота ответов на вопросы членов комиссии, оценка консультанта по работе
студента над проектом.
Оценка “отлично”:
1. при разработке конструкции турбокомпрессора даны самостоятельные,
оригинальные решения или проведены научные исследования;
2. проект как в графической, так и в расчетной части не содержит ошибок;
3. качество доклада по выполненному проекту высокое;
4. ответы
на
вопросы
членов
комиссии
полные
и
обстоятельные,
подтверждающие полноту знаний студентов;
5. отзыв консультанта не ниже “хорошо”.
Оценка “хорошо”:
1. при разработке конструкции турбокомпрессора даны самостоятельные
решения и имеет место хорошее знание конструкции турбокомпрессора
ГТД, используемого при проектировании;
2. проект как в графической, так и в расчетной части не содержит
принципиальных ошибок;
9
3. качество доклада по выполненной работе хорошее;
4. ответы на вопросы членов комиссии показывают хорошие знания
студента.
Оценка “удовлетворительно”:
1. при разработке конструкции турбокомпрессора в основном использована
конструкция подобного узла ГТД, которая усвоена студентом в
достаточной мере;
2. проект как в графической, так и в расчетной части не содержит грубых
ошибок;
3. качество доклада по выполненной работе удовлетворительное;
4. ответы на большинство вопросов членов комиссии правильны.
Оценка “неудовлетворительно”:
1. в разработке конструкции турбокомпрессора допущены принципиальные
ошибки, студент не может объяснить принятого решения;
2. в расчетах содержатся грубые ошибки;
3. доклад по выполненному проекту неудовлетворителен;
4. ответы на вопросы членов комиссии говорят о серьезных пробелах в
знаниях студента.
Литература.
1. Костюков А.В. Центробежные компрессоры транспортных ГТД.
Учебное пособие по курсу «Динамика и прочность турбомашин». МГТУ
«МАМИ», 2006 г.
2. Кустарев Ю.С. Осевые турбины транспортных ГТД. Учебное пособие по
курсу «Динамика и прочность турбомашин». МГТУ «МАМИ», 2006 г.
3. Э.А. Манушин, И.Г. Суровцев. Конструирование и расчет на прочность
турбомашин газотурбинных и комбинированных установок. Уч. пособие
МГТУ им. Баумана, 1990 г..
4. К.А. Басов. ANSYS в примерах и задачах. М., 2002 г..
10
5. А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. ANSYS для инженеров.
Машиностроение, М., 2004 г..
6.С.В. Михалев. Расчет лопаток на прочность. Уч. пособие. М., МГТУ
«МАМИ», 1968 г..
7. Котеров Н.И. Расчет дисков на прочность. Уч. пособие. МГТУ»МАМИ»,
1967.
8. Котеров Н.И. Критические скорости роторов ГТД. Уч. пособие. МГТУ
«МАМИ», 1964г..
Приложение1. Задание на выполнение курсового проекта.
ЗАДАНИЕ.
на курсовой проект по курсу «Динамика и прочность турбомашин»
Студенту
группа
срок выдачи
срок сдачи
1.Выполнить профилирование:
- колеса компрессора и его диффузоров;
- сопловой и рабочей лопатки турбины компрессора;
- диска турбины.
2.Выполнить расчеты:
-напряжений в рабочей лопатке турбины и в дисках компрессора и турбины;
- запасов прочности лопаток и дисков турбомашин;
- критической частоты вращения ротора турбокомпрессора.
3. Разработать конструкцию турбокомпрессора.
Исходные данные для проектирования берутся из результатов
газодинамического расчета турбокомпрессора, выполненного студентами на
4ом курсе по дисциплине «Энергетические машины и установки».
Руководитель проекта
11
Приложение 2.
Образец выполнения графической части проекта.
Рисунок 1. Профилирование центробежного компрессора.
12
Рисунок 2. Профилирование лопаток осевой турбины.
13
Рисунок 3. Результаты расчета на прочность ротора турбокомпрессора.
14
Рисунок 4. Конструкция турбокомпрессора.
15
16