основные понятия и методические подходы по оценке прочности деталей авиационных ГТД и стационарных ГТУ с учетом статических и динамических условий

УДК……..

А, С,

Прочность и динамика авиационных ГТД и стационарных ГТУ.

Учебное пособие М. МАТИ-РГТУ. 2008.  ….с.

В настоящем учебном пособии в краткой форме изложены основные понятия и методические подходы по оценке прочности деталей авиационных ГТД и стационарных ГТУ с учетом статических и динамических условий. Рассмотрены усталостная прочность деталей, колебательные процессы в лопатках, дисках турбомашин, освещены совместные колебания лопаток и дисков, аэроупругие процессы в двигателях и их влияние на колебания деталей турбомашин.

Учебное пособие предусмотрено для студентов старших курсов двигателестроительных специальностей дневной и вечерней форм обучения, может быть использовано для теоретической подготовки по дисциплинам «Динамика и прочность АД и ЭУ», «Разрушение деталей и дефекты авиационной техники», «Теория, расчет и проектирование АД и ЭУ». Материалы учебного пособия могут быть полезны преподавателям, инженерам промышленных предприятий и НИИ, связанных с испытаниями и доводкой двигателей и узлов.

                                      СОДЕРЖАНИЕ                                                  Стр

Введение

1.  Основы расчета на прочность………………………………………………….1

2.  Механические характеристики конструкционных материалов……………..12

2.1  Свойства материалов при статических напряжениях…………………….12

2.2  Свойства материалов при высоких и низких температурах……………..15

2.3  Свойства материалов при действии переменных напряжениях…………17

3.  Усталостная прочность………………………………………………………….21

3.1  Малоцикловая и термическая прочность…………………………………..21

3.2  Разрушение и анализ изломов………..……………………………………..22

3.3  Оценка прочности……………………………………………………………23

3.4  Запасы прочности при статических напряжениях………………………...24

3.5  Запас по несущей способности……………………………………………..24

3.6  Запасы прочности при переменных напряжениях………………………..26

3.7  Запасы длительной прочности деталей машин при работе на различных режимах…………………………………………………………26

3.8  Запасы усталостной прочности на работе на различных режимах……..28

4.  Основы расчета деталей турбомашин…………………………………………29

4.1  Основы расчета лопаток……………………………………………………29

4.2  Расчет замковых соединений………………………………………………34

4.3  Понятие о методики конечных элементов………………………………..36

5.  Динамическая прочность авиационных двигателей и энергетических установок………………………………………………………………………..38

5.1  Основные понятия и определения…………………………………………38

5.2  Классификация колебательных систем……………………………………38

5.3  Виды колебательных процессов……………………………………………39

5.4  Характеристика периодических колебательных процессов……………..39

5.5  Комплексное представление гармонических колебаний…………………39

5.6  Полигармонические колебании…………………………………………….40

5.7  Использование ряда Фурье для анализа периодического процесса…….40

5.8  Биения………………………………………………………………………..41

5.9  Критические частоты вращения валов…………………………………….42

6.  Колебания лопаток в авиационных двигателях………………………………44

6.1  Классификация колебаний лопаток в рабочих  условиях……………….44

6.2  Формы колебаний лопаток…………………………………………………45

6.3  Собственные колебания лопаток…………………………………………..46

6.4  Резонансные частоты вращения…………………………………………...48

6.5  Способы снижения вибрационных напряжений………………………….49

7.  Совместные колебания лопаток с дисками……………………………………51

7.1  Формы колебаний дисков………………………………………………..…51

7.2  Формы совместных колебаний лопаток с дисками………………………51

7.3  Спектр собственных колебаний лопаток с бандажом и диском………...53

7.4  Частотная диаграмма……………………………………………………….55

8.  Аэроупругие процессы в турбомашинах……………………………………..57

8.1  Флаттер лопаточных венцов компрессоров……………………………...58

8.2  Механизмы возникновения флаттера…………………………………….59

8.3  Эксплуатационные факторы, вызывающие флаттер…………………….61

8.4  Способы устранения флаттера…………………………………………….61

8.5  Статистические оценки динамических напряжений в элементах

Турбомашин………………………………………………………………...61

8.6  Экспериментальные методы исследования колебаний………………….63

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

В процессе эксплуатации детали и узлы ГТД работают в очень сложных условиях, на них действует комплекс статических и динамических силовых, тепловых, вибрационных нагрузок, которые могут привести к поломке деталей и выходу из строя узлов двигателя. Проблема  предупреждения разрушений деталей и узлов весьма актуальна для всех отраслей машиностроения и особенно для авиации. Сложность физических процессов разрушения, трудности при разработке физических моделей отказов приводит к тому, что часто причины разрушения на настоящий момент ясны далеко не всегда. Все это затрудняет разработку методик расчета на прочность деталей и узлов ГТД.

В работе даются основные понятия о механических характеристиках  конструкционных материалов, используемых в деталях и узлах ГТД. Рассмотрены особенности разрушений авиационных материалов.

Большинство отказов ГТД на этапе доводки и в эксплуатации, связанных с проблемами прочности, вызваны усталостными дефектами. По частоте появления дефектов детали авиационных двигателей можно расположить так: рабочие лопатки компрессоров, рабочие лопатки турбин, диски компрессоров, подшипники, корпуса камер сгорания, диски и валы турбин,  и прочие детали.

Максимальное сопротивление усталости детали может быть обеспечено оптимизацией конструкторских форм за счет уменьшения концентрации напряжений, совершенствование технологического процесса на всех этапах производства, позволяющим максимально реализовать прочностные свойства, заложенные в использованном материале, на стадии проектирования с учетом особенностей эксплуатации деталей при силовом воздействии и влиянии окружающей среды.

В учебном пособии уделено внимание физическим процессам колебаний лопаток, представлена классификация колебаний лопаток, в рабочих условиях рассмотрены формы колебаний лопаток, способы снижения вибрационных напряжений в лопатках, а также совместные колебания лопаток с дисками.

Стремление к получению высоких выходных эксплуатационных параметров ГТД и снижение массовых характеристик деталей и узлов деталей вопросы обеспечения динамической прочности являются важнейшими при создании и эксплуатации авиационных деталей. Разрушения, обусловленные динамическими процессами в двигателях и колебаниями его других элементов, превышают 70% из общего числа прочностных поломок. Повышение аэродинамической нагруженности в сочетании со стремлением