РТМ 108.022.103-77 Компрессоры осевые стационарные. Расчет на прочность хвостовых соединений рабочих лопаток осевых компрессоров

1.2.1. Номинальные напряжения растяжения в 1-й шейке хвоста лопатки (черт.1, ) определяется по формуле

,                                                            (1)

где - центробежная сила (ЦБС) лопатки вместе с хвостом;

- площадь сечения шейки хвоста.

1.2.2. Номинальное напряжение изгиба зуба от действия ЦБС определяется при условии равномерного распределения нагрузки между всеми зубьями (черт.1, )

.                                        (2)

1.2.3. Номинальное напряжение среза зуба от действия ЦБС определяется при условии равномерного распределения нагрузки между всеми зубьями:

.                                                            (3)

1.2.4. Номинальное напряжение смятия зубьев

,                                                       (4)

где                                                        .

1.3.1. Оценка выполняется для относительной динамической напряженности зубьев при 1-й изгибной форме колебаний пера лопатки.

1.3.2. Динамическая прочность многозубчиковых хвостовых соединений оценивается по параметру

,

где                                                               (черт.1, , );

- перерезывающая сила, возникающая в заделке зуба от момента ;

- изгибающий момент в корневом сечении профиля.

Для лопаток, у которых жесткость тела хвоста значительно превосходит жесткость зуба, параметр определяется по формуле, которая зависит от геометрических размеров:

.

Она получена при минимальном значении величины . Экспериментальные данные показывают, что в реальных конструкциях лопаток . Большая величина соответствует конструкциям, у которых центр массы профиля пера и хвоста лопатки совпадает.

1.3.3. При проектировании лопаток из сталей марок 20Х13(2Х13), 1Х17Н2 ГОСТ 5632-72 с зубьями, имеющими трапециевидную форму, необходимо принимать величину параметра . В этом случае обеспечивается большая усталостная прочность зубьев по сравнению с пером. Лопатки с параметром имеют равную динамическую прочность зубьев хвоста и пера.

1.3.4. Необходимо учитывать, что при крутильных формах колебаний лопаток, как правило, относительная напряженность зубьев хвоста, определяемая параметром , значительно выше. Экспериментальные значения параметра для лопатки II ступени осевого компрессора ГТК-10 с хордой мм и хвостом с при различных формах колебаний приведены ниже.

1.3.5. Для всережимного агрегата, когда отсутствует возможность отстройки лопаток от резонансных оборотов, вызываемых крутильными формами колебаний, следует при проектировании соотношения геометрических размеров пера и зуба хвоста принимать такими, чтобы удовлетворялось условие .

Это обеспечит более высокую динамическую прочность хвоста.

1.4.1. Запасы прочности в зубьях:

• на изгиб ;

• на срез ;

  на смятие (меньший из двух)

  или .

1.4.2. Если расчетная величина запаса прочности окажется меньше установленной, то необходимо проведение экспериментальных исследований с доведением модели хвостового соединения до разрушения. При этом экспериментально определенный запас

,

где - осевая сила, разрушающая хвостовое соединение.

2.2.1. Оптимальный угол скоса опорных поверхностей составляет около 60°.

2.2.2. Оптимальное отношение находится:

• для хвоста лопатки 0,30;

• для выступа диска 0,15.

2.2.3. В зависимости от геометрических соотношений сопряжение профильной части пера и хвоста может быть выполнено:

• без промежуточной полки, когда профиль корневого сечения полностью вписывается в сечение хвоста (черт.3, );

• с промежуточной полкой, когда профиль корневого сечения полностью вписывается в сечение хвоста (черт.3, );

• с промежуточной полкой, когда профиль корневого сечения не вписывается в сечение хвоста (черт.3, ).

Черт.3

2.2.4. Для снижения общей неравномерности распределения напряжений, связанной с влиянием изогнутого профиля лопатки, следует, по возможности, отдалять профильную часть лопатки, когда ее корневое сечение не вписывается в сечение хвоста, от шейки хвоста, разворачивать хвост относительно профильной части лопатки так, чтобы хорда профиля корневого сечения лопатки была параллельна продольной плоскости симметрии хвоста, и совмещать в плане центры масс сопряженных сечений профильной и хвостовой частей лопатки.

2.2.5. С увеличением напряжений смятия, а также с изменениями конструктивного выполнения выхода хвоста из паза диска при прочих равных условиях снижается предел выносливости и предпочтительным является конструктивный вариант (черт.4).

Черт.4

2.3.1. Расчетом проверяется прочность опорных поверхностей хвоста и выступа диска, а также шейки выступа диска.

2.3.2. Предполагается, что разрушение опорных поверхностей происходит при достижении максимальными касательными напряжениями предельного значения.

Нагрузка, разрушающая опорные поверхности,

,                                                (5)

где ;   .

2.3.3. ЦБС, растягивающая шейку выступа диска,

.

2.3.4. Напряжение растяжения в шейке выступа диска

,                                                                   (6)

где - площадь сечения шейки выступа диска.

2.3.5. Напряжение смятия от действия растягивающей силы

,                                                                 (7)

где                                                                 ;

.

2.3.6. Напряжение смятия от действия изгибающих нагрузок

,                                                      (8)

где - изгибающий момент в корневом сечении профиля пера лопатки от действия аэродинамической нагрузки и первоначальных выносов;

- ЦБС пера лопатки;

- смещение центра массы корневого сечения профиля пера лопатки от оси хвоста.

2.3.7. Суммарное напряжение смятия

.                                                             (9)

2.3.8. Крутящий момент, действующий на выступ диска,

,                                                   (10)

где                                                               .

2.3.9. Предельный момент при чистом кручении

.                                                            (11)

где                                                                  .

2.3.10. Напряжение растяжения от стесненного кручения

,                                                       (12)

2.3.11. Суммарное напряжение растяжения в угловых точках шейки выступа диска

.                                                             (13)

2.4.1. Запас прочности опорных поверхностей :

• хвоста лопатки из деформированных и литых материалов соответственно 2,0, 3,2;

• выступа диска 2,0.

2.4.2. Запас прочности шейки выступа диска по несущей способности

,

где

 ;

.

2.4.3. Запас прочности шейки выступа диска по суммарному напряжению

.

2.4.4. Если расчетная величина запаса прочности окажется меньше установленной, то необходимо проведение экспериментальных исследований с доведением модели хвостового соединения до разрушения.

Экспериментальный запас для хвостовых соединений :

• с лопатками из деформируемых материалов 2,2;

• с лопатками из литых материалов 2,5.

3.2.1. Геометрические соотношения проушин хвоста следует выбирать по графику (черт.5), из которого следует, что соотношения, наиболее близкие к оптимальным, находятся в пределах

;   .

Черт.5

3.2.2. Для сохранения хорошей шарнирности соединения под нагрузкой следует принимать (черт.6) .

Черт.6

3.2.3. Номинальное напряжение растяжения в ослабленном поперечном сечении (см. черт.6) проушины хвоста лопатки, проходящем через ось отверстия, выражается

,                                                         (14)

где - ЦБС лопатки с хвостом до сечения проушины.

Допускаемое расчетное значение для лопаток из титановых сплавов кгс/мм.

3.2.4. Наибольшее контактное напряжение в проушине хвоста в предположении равенства коэффициентов определяется так:

,                                           (15)

где - нагрузка на единицу длины линии контакта,

;

            - ЦБС всей лопатки.

Допускаемое расчетное значение при контактировании стального пальца с титановым сплавом кгс/мм.

3.2.5. Номинальное напряжение растяжения в ослабленном окружном сечении обода диска, проходящем через оси отверстий под пальцы (черт.7),

,                                                    (16)

где ;

- ЦБС пальца;

- ЦБС участка -го ребра проушины обода диска

Черт.7

Допускаемое расчетное значение для стального диска кгс/мм.

3.2.6. Напряжения смятия, если номинальные диаметры пальца и отверстия в ободе диска совпадают,

.                                                            (17)

Допускаемое расчетное значение для стального диска кгс/мм.

3.2.7. Напряжение среза в ободе диска

,                                                 (18)

где (черт.7).

Допускаемое расчетное значение для стального диска кгс/мм.

3.2.8. Напряжение среза в пальце

,                                                       (19)

где - ЦБС участка пальца длиной, равной ;

- диаметр внутреннего отверстия в пальце, мм;

- число плоскостей среза пальца.

Допускаемое расчетное значение для стального пальца кгс/мм.

3.2.9. При наличии зазора между отверстием в ободе диска и пальцем вместо напряжений смятия вычисляются контактные напряжения по формуле

,                                          (20)

где                                                                 .

3.3.1. Запас прочности в проушинах хвоста лопатки :

• из деформированных материалов ;

• из литых материалов .

3.3.2. Запас прочности в ослабленном окружном сечении обода диска

.

3.3.3. Запас прочности на срез в ободе диска

.

3.3.4. Запас прочности на срез в пальцах

.

3.3.5. Если расчетная величина запаса прочности окажется меньше установленной, то необходимо проведение экспериментальных исследований с доведением модели хвостового соединения до разрушения.

Экспериментальный запас для хвостовых соединений :

• из деформированных материалов ;

• из литых материалов .

Здесь - осевая сила, разрушающая хвостовое соединение.