Выбор рациональных параметров конструкции опор газотурбинных двигателей с межроторными подшипниками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Амелькин, Андрей Сергеевич

• Амелькин, Андрей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Амелькин, Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обоснование своевременности исследования и объект исследования.

1.1. Современное состояние вопроса об исследовании условий работы межроторных подшипников ГТД.

1.2. Объект исследования.

1.3.Выводы по главе.

Глава 2. Статистика дефекта разрушения МРП.

2.1. Анализ отказов двигателей по причине разрушения межроторного подшипника.

2.2. Дефекты межроторного подшипника.

2.2.1. Стадия нормальной эксплуатации.

2.2.2. Стадия первоначального повреждения.

2.2.3. Стадия «залечивания».

2.2.4. Стадия окончательного повреждения.

2.3.Анализ дефектов.

2.4.Версии быстрого разрушения МРП.

2.5.Выводы по главе.

Глава 3. Исследование причины быстрого разрушения МРП.

3.1 .Расчет сил действующих на межроторный подшипник.

3.2.Экспериментальное исследование по проверке отдельных факторов на работоспособность подшипника.

3.3.Исследование конструктивных недостатков опор с МРП.

3.3.1. Влияние шлицевого соединения на геометрические параметры расположенного над ним подшипника.

3.3.2. Силовые деформации корпуса подшипника при нестационарных тепловых потоках.

3.4.Физическая модель работы узла МРП на нерасчетных режимах.

3.4.1. Физическая модель первоначального повреждения межроторных подшипников.

3.4.2. Физическая модель быстрого разрушения МРП.

3.4.3. Физическая модель процесса «залечивания» МРП.

3.5.Выводы к главе.

Глава 4. Методика конструирования узлов МРП.

4.1.Конструктивные факторы, способствующие разрушению МРП.

4.2.Конструктивные факторы, способствующие «залечиванию» МРП.

4.3.Апробация конструктивных факторов, способствующих повышению надежной работы узла МРП.

4.4.Патентные исследования.

4.5.Анализ существующих и перспективных компоновок опор турбин.

4.6.Рекомендации по конструированию опор с МРП.

4.7.Компоновка узла МРП.

4.8.Выводы по главе.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор рациональных параметров конструкции опор газотурбинных двигателей с межроторными подшипниками»

В конструкции современных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) применяются силовые схемы с опиранием ротора высокого давления (РВД) на ротор низкого давления (РНД) через межроторный подшипник (МРП).

Указанная компоновка задних опор двухвальных и трехвальных двигателей (в части установки межроторного подшипника) в практике авиационного двигателестроения применяется давно и не является чем-то исключительным.

Размещение подшипника ротора высокого давления непосредственно на валу ротора низкого давления обусловлено стремлением к сокращению размеров обоих роторов двигателя в осевом направлении, что благоприятствует снижению массы элементов двигателя в целом, и повышению изгибной жесткости роторов, а значит и их вибрационных характеристик.

Однако, часто подшипники, применяемые в таких опорах, оказываются критическим элементом, существенно ограничивающим ресурс всего ГТД и снижающим его надёжность.

При этом дефект МРП проявляется спонтанно, практически не кореллируется ни с наработкой ГТД, ни с условиями его эксплуатации. Разрушение МРП происходит за время в несколько десятков секунд, а наступление его критического состояния не обнаруживается современными средствами диагностики.

Поиски причин и способов борьбы с этими явлениями инженерными методами к желаемому результату не приводят. Существующие методики оценки долговечности подшипников дают хорошие прогнозы их надёжности,' но опыт эксплуатации не подтверждает эти прогнозы.

Следовательно, современные методы расчёта надёжности и долговечности подшипников не полностью учитывают особенности условий работы МРП и либо ограниченно, либо вовсе не пригодны для решения задач конструирования узлов с МРП.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема совершенствования методики конструирования опорных узлов с МРП турбореактивных двигателей.

Цель работы - повышение надёжности турбореактивных двигателей путем разработки методов конструирования, учитывающих особенности условий работы опор МРП.

Задачи исследования:

1. Поиск причин быстрого разрушения опор с МРП;

2. Поиск диагностических признаков состояния МРП;

3. Выявление недостатков в методике конструирования опорных узлов с

МРП;

4. Разработка методов совершенствования конструирования узлов с МРП;

5. Техническая реализация и внедрение разработанных методик.

Методы исследований. Перечисленные задачи решены методами математической статистики, экспериментальными исследованиями и методами математического моделирования.

За время работы над диссертацией проведены исследования условий работы межроторных подшипников качения, факторов, влияющих на долговечность межроторных подшипников качения, устанавливаемых в авиационные двигатели.

В данной работе описываются конструктивные особенности узла межроторного подшипника. По результатам проведенных расчетных и экспериментальных исследований жесткости деталей узла МРП при силовом и тепловом воздействии даются рекомендации по компоновке узла МРП.

В диссертационной работе описываются стадии и причины разрушения МРП при испытаниях и в эксплуатации.

Научная новизна

1. Систематизированы и классифицированы стадии разрушения межроторного подшипника опоры турбины;

2. Определены влияния шлицевого соединения на геометрические параметры расположенного над ним подшипника;

3. Учтены влияния нестационарных тепловых режимов двигателя на условия работы узла МРП;

4. Разработаны рекомендации для совершенствования методики конструирования опор турбин с межроторными подшипниками. Практическая ценность

1. Разработанные рекомендации по совершенствованию методики конструирования узлов с МРП обеспечивают повышение надёжности турбореактивных двигателей.

2. На основе результатов диссертационных исследований создано новое техническое решение, защищенное патентом.

Реализация результатов работы Результаты диссертационной работы использовались: в опытно-конструкторских работах по созданию модернизированного двигателя АЛ-31Ф (ФГУП «ММПП «Салют», г. Москва); в научно-исследовательских работах по совершенствованию узла межроторного подшипника турбины высокого давления газотурбинного двигателя (НТЦ «МКБ «Гранит», г. Москва). Внедрение результатов диссертационной работы и достигнутый при этом эффект подтвержден соответствующим актом.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Амелькин, Андрей Сергеевич

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Классифицированы стадии разрушения межроторного подшипника опоры турбины и закономерности образования дефектов деталей МРП.

2. Исследованы нестационарные тепловые потоки опоры турбины с МРП на переходных режимах работы двигателя, которые в отличие от расчётных равновесных режимов вызывают существенное изменение формы и размеров цапфы турбины в зоне установки подшипника, что не позволяет правильно оценить долговечность МРП по существующим методикам.

3. На основе анализа конструктивных исследований установлено, что причиной разрушения межроторного подшипника является действие повышенных контактных нагрузок, возникающих вследствие выборки радиального зазора подшипника и неравномерного трёхосного сжатия обоймы подшипника.

4. Разработана и запатентована конструкция опоры ротора газотурбинного двигателя обеспечивающая стабилизацию геометрии посадочного места подшипника на нерасчетных режимах работы.

5. Предложены рекомендации по конструированию опор с МРП, направленные на повышение надежности газотурбинных авиационных двигателей и совершенствования методики конструирования.

6. Выполнена техническая реализация и внедрение в проектную практику, а также передана в промышленность методика конструирования, техническая документация, макеты и опытные образцы опоры турбины с МРП. Результаты диссертационной работы успешно внедрены в модернизированный двигатель АЛ-31Ф. Внедрение результатов диссертационной работы и достигнутый при этом эффект подтвержден соответствующим актом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Амелькин, Андрей Сергеевич, 2010 год

1. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели.- М.: Машиностроение, 1974.- 519с.

2. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Под ред. В.Д. Хронина М.: Машиностроение, 1989.

3. Спицын H.A. Пути улучшения качества и долговечности подшипников качения. «Труды ВНИПП», 1962, 28 с.

4. Спицын H.A. Теоретические исследования в области определения оптимальной формы цилиндрических роликов. — «Труды ВНИПП», 1962, 28 с.

5. Подшипники качения: Справочное пособие / Под ред. H.A. Спицына, А.И. Спришевского. М.: Машгиз, 1961. - 828с.

6. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В., Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник. М.: Машиностроение, 1975. - 575с

7. Черменский О.Н., Федотов H.H. Подшипники качения: Справочник-каталог. М.: Машиностроение, 2003. - 576с.

8. A. Practical Method of Calculating the Attainable Life in Aerospace Bearing Applications // FAG Publ. № FL 401134 EA. 1990. P. 5.

9. SKF, Общий каталог. Венгрия, 1997.

10. SKF General Catalogue 5000E, June, 2003.

11. Каталог 2006. Изд. ОАО «Завод авиационных подшипников», 2006. -34 с.

12. Галахов М.А., Бурмистров А.И. Расчет подшипниковых узлов- М.: Машиностроение, 1988.-272с.

13. Цитрин AM, Курушин МИ, Жильников ЕЛ Оси, валы и опоры качения: Пособие по расчёту на прочность / Куйбышев, авиац. ин-т. — Куйбышев, 1976. -72 с.

14. Акифьев ВИ Разработка методики расчёта роликовых подшипников опор ГТД с учетом проскальзывания: Дис. канд. техн. наук -Самара, 1998. -165 с.

15. Перель ЛЯ. Подшипники качения: Расчёт проектирование и обслуживание опор. -М: Машиностроение,1983 -453 с.

16. Биргер И.А. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1993,- 639с.

17. Венцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и её инженерные приложения. Учеб. пособие для втузов. 2-е изд., стер. - М.: Высш.шк., 2000. - 480 с.

18. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник -СПб: Питер, 2001. 752с.

19. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1993,-639с.

20. Вибрация подшипников / Под ред. K.M. Рагульскиса Л: Машиностроение, Ленингр. отд-ние,1985. - 119 с.

21. Бычков Н.Г., Скибин В.А., Цыкунов Н.В. Исследование накопления повреждений в материалах при испытаниях на малоцикловую усталость // Труды ЦИАМ. 1985. №1109. С.246-254.

22. Юркаускас А.Ю. Методы и критерии диагноза подшипниковых узлов. -Рук. деп. в ЛитНИИНТИ. Вильнюс, 1980. 88 с.

23. Юркаускас А.Ю. Средства и методы диагноза подшипниковых узлов. -Рук. деп. в ЛитНИИНТИ. Вильнюс, 1982. 88 с.

24. Причины шума и вибраций в подшипниках качения. М.: Ротопринтная ВНИИПП, 1967. 114с.

25. Акимов В.М. Основы надежности газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981.-202 с.

26. Сиротин H.H. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей. М.: РИА «ИМ-ИНФОРМ», 2002.

27. Косточкин В.В. Надёжность авиационных двигателей и силовых установок. -М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.

28. Методика количественной оценки безотказности авиационных двигателей по результатам эксплуатации. М.: ЦИАМ им. П.И. Баранова, 1991.

29. Кухниг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. 520 с.

30. Хронин Д.В. Теория и расчет колебаний в двигателях летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1970.- 412с.

31. Хронин Д.В., Леонтьев М.К., Борздыко Е.В. Конструкция и проектирование упругодемпферных опор роторов ВРД: Учеб. пособие. М. : Изд -во МАИ, 1988.-37с.

32. Орлов П.И. Основы конструирования: Справ, метод, пособие, 4.2. М.: Машиностроение, 1988.-543с.

33. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1972.- 544с.

34. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов: Учебное пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 560 с.

35. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов /Отв. ред. Писаренко Г.С. 2-е изд. - Киев: Наук, думка, 1988.-736 с.

36. Жильников Е.П. Оценка режима смазывания подшипников качения // Трение и износ. 1995. Т.16. №5. С. 847-850.

37. Расчет авиационных подшипников качения при повышенных требованиях к надежности: Метод, указания/ Самар. гос. аэрокосм, ун-т; Сост.Е.П. Жильников. Самара, 1996. - 28 с.

38. Жильников Е.П. Новая методика расчета авиационных подшипников качения при повышенных требованиях к надежности// Изв. вузов. Авиационная техника, 1998. №2. С. 91-94.

39. Никитин A.B. Новая методика расчета долговечности подшипников качения // Вестн. машиностроения. 1994, №5. С. 3-8.

40. Киянский Т.Н., Амелькин A.C. Влияние шлицевого соединения на геометрические параметры расположенного над ним подшипника // Вестник МАИ. 2008. №3.

41. Перель Л Л. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор. М.: Машиностроение, 1983. - 543 с.

42. Жильников Е.П., Иванцов A.M. К расчету долговечности подшипников качения/ Изв. вузов. Авиационная техника. 1992. №4. С. 86-88.

43. Жильников Е.П., Мурашкин В.В., Щербаков В.М. Расчет долговечности подшипников качения при переменных условиях нагружения/ Изв. вузов. Авиационная техника. 1995. № 1. С. 84-87.

44. Жильников Е.П., Заров Г.З., Ильин Ю.В. Подбор зазоров и посадок высокоскоростных подшипников качения// Авиационная промышленность, №3, 1984.

45. Жильников Е. П., Мурашкин В.В. Оценка уровня нагруженности стандартных подшипников качения// Изв. вузов. Авиационная техника 1994. №> 3. С. 53-56.

46. Леликов О.П. Валы и опоры с подшипниками качения. Конструирование и расчет. Справочник. Москва: Машиностроение, 2006.

47. Методика расчётной оценки долговечности подшипников качения авиационных двигателей и их агрегатов, требования к конструктивным параметрам опор. Москва: ЦИАМ, АО ВНИИП, 1996.

48. Испытания, обеспечение надежности и ремонт авиационных двигателей и энергетических установок.: Учеб. пособие / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, К.А. Малиновский, В.Г. Попов, Н.Л. Ярославцев. М.: Изд-во МАИ, 2005. - 540 е.: ил.

49. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: «Машиностроение», 1978. - 240 е., ил. - (Надежность и качество).

50. Демидович В.М. Исследование теплового режима подшипников ГТДЛМ:. Машиностроение, 1978,- 172с.

51. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. - 415с.

52. Б.Н. Юдаев. Техническая термодинамика. Теплопередача. Учебное пособие для втузов.—М: Высшая школа, 1988г.

53. В.И Локай, М.Н. Бодунов, В.В. Жуйков, A.B. Щукин. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателях летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1985г.

54. Равикович Ю.А., Киянский Т.Н., Амелькин A.C. Силовые деформации корпуса подшипника при нестационарных тепловых потоках // Вестник МАИ. 2009. №3.

55. Теория и проектирование опор роторов авиационных ГТД В.Б. Балякин и др. Самара: Изд-во Самара, гос. аэрокосм, ун-та, 2007.-254 с.

56. Амелькин A.C., Киянский Т.Н., Равикович Ю.А. Физическая модель работы узла межроторного подшипника на нерасчетных режимах // Вестник МАИ. 2009. №6.

57. Иностранные авиационные двигатели, 2005: Справочник ЦИАМ / Общая редакция: В.А. Скибин, В.И. Солонин. М.: Изд. дом «Авиамир», 2005. - с. 592.

58. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор) / Под общей редакцией В.А. Скибина, В.И. Солонина. М.: ЦИАМ, 2004. -424 с.

59. Двигатели 1944-2000: Авиационные, ракетные, морские, промышленные.

60. Белоусов А.И., Зрелов В.А. Конструкция и проектирование уплотнений вращающихся валов турбомашин двигателей летательных аппаратов: Учеб. пособие/КуАИ. Куйбышев, 1989.- 108 с.

61. Уплотнения и уплотнительная техника; Справочник / Под общей ред. А.И Голубева и JIA. Кондакова. М.: Машиностроение, 1986. - 464 с.

62. Марцинковский В.А. Бесконтактные уплотнения роторных машин. М.: Машиностроение, 1980. - 200 с.

63. Решетов Д.Н., Леликов О.П. Расчет подшипников качения при переменных нагрузках // Известия вузов. Машиностроение. 1984. №12.

64. Растровая электронная микроскопия. Разрушение: Справ, изд./ Энгель Л., Клингеле Г. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1986. 232 с.

65. Киянский Т.Н., Кабанов H.A., Герасимов А.Ю., Амелькин A.C. Опора ротора газотурбинного двигателя // Полезная модель. Номер регистрационной заявки 2010122795 от 04.06.2010 (решение о выдаче 16.07.2010).

66. Амелькин A.C. Конструктивный способ стабилизации посадочного места подшипника. // Новые решения и технологии в газотурбостроении: Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, ЦИАМ, Москва, 2010.

67. Эксплуатация авиационных подшипников качения. A.M. Зайцев, Р.В. Коростошевский. Изд-во «Транспорт», 1968 г., стр. 1-224.

68. Фомин М.В. Расчеты опор с подшипниками качения: Справочно-методическое пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 96 с.

69. Подшипниковые узлы современных машин и приборов: Энциклопедический справочник / Под общей редакцией В.Б. Носова. М.: Машиностроение, 1997.