ОПРЕДЕЛЕНИЕ НДС КОЛЕЦ ПОДШИПНИКА В ОПОРЕ РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ИЗМЕНЕНИЕ ПОСАДКИ СОЕДИНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЕ
КОЛЬЦО ПОДШИПНИКА - ВАЛ В УСЛОВИЯХ РАБОТЫ ГТД 9
1.1 Исходные данные 9
1.2 Расчет натяга, при помощи аналитической методики, в условиях работы
газотурбинного двигателя 11
1.2.1 Уменьшение посадочного натяга от центробежного расширения ... 11
1.2.2 Уменьшение посадочного натяга от температурного расширения . 14
1.2.3 Величина натяга в рабочих условиях 15
1.3 Расчет натяга, при помощи конечно-элементного пакета ANSYS
Workbench, в условиях работы газотурбинного двигателя 17
1.3.1 Основная концепция метода конечных элементов 18
1.3.1.1 Учет вращения в методе конечных элементов 20
1.3.1.2 Учет температурного расширения в методе конечных элементов 21
1.3.2 Постановка задачи в ANSYS Workbench 22
1.3.3 Результаты расчета 27
1.4 Анализ результатов 32
1.5 Вывод 35
ГЛАВА 2. РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПОСАДКЕ С
НАТЯГОМ СОЕДИНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЕ КОЛЬЦО ПОДШИПНИКА - ВАЛ 36
2.1 Исходные данные 36
2.2 Определение максимального напряжения аналитическим методом, в
условиях монтажного натяга 38
2.3 Определение максимального напряжения, при помощи конечно-элементного пакета ANSYS Workbench, в условиях монтажного натяга . ... 42
2.3.1 Постановка задачи 42
2.3.2 Результаты расчета 43
2.4 Анализ результатов 45
2.5 Вывод 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Купить

В авиастроении, как и в любой современной развивающийся области, в которой работают сотни тысяч специалистов, есть некоторые перспективные направления для развития отрасли. Примером может быть - уменьшение расхода топлива, вследствие чего повышается экологичность перелетов, уменьшение шумового загрязнения, аэродинамика, вибрационная устойчивость, уменьшение стоимости технического обслуживания, и ещё многое другое.
И конечно, одно из главных мест занимает проблема обеспечения надежности деталей и их соединений. Это особо актуально для такой части самолета как газотурбинный двигатель (ГТД). Так как двигатель состоит из множества деталей, приводящихся в движении с помощью сжигания топлива, а значит испытывающих на себе комбинированную нагрузку.
Самой нагруженной частью ГТД является его роторная составляющая - это, например, лопатки, вал, внутреннее кольцо подшипника и тела качения. Также высоконагруженными элементами являются - внешние кольца подшипников и подшипниковые опоры.
Подшипники, в современных ГТД, изготавливают с высоким классом точности из специальных авиационных подшипниковых сталей, отличающихся высокой прочностью.
Одной из проблем обеспечения работоспособности подшипника является изменение посадок в местах сочленений на рабочем режиме. В настоящей работе рассмотрено соединение внутреннее кольцо подшипника - вал. Внутреннее кольцо на режиме нагружено силами от натяга на вал, центробежными силами, силами от температурного расширения вала, радиальными и осевыми нагрузками от тел качения. При раскрытии стыка между кольцом и валом кольцо перестает быть нагруженными от посадки на вал, но при этом увеличивается восприятие кольцом нагрузок от центробежных сил и силами от пробегания тел качения (шарики, ролики, сепаратор), которые передают радиальные и осевые нагрузки. С другой стороны, чрезмерный натяг кольца на вал (более 60 мкм), может привести к разрушению кольца. Поэтому выбор натяга внутреннего кольца на валу должен подбираться из учёта сохранения плотности посадки и условий прочности кольца, иными словами необходим компромисс.
Описанная проблема особенно актуальная для быстроходных подшипников с параметром d-n>2.6 млн (d - диаметр отверстия подшипника, мм, n - обороты ротора, об/мин), для которых возможность применения отечественных сталей остается под вопросом.
Целью работы является оценка изменения плотности посадки в контакте кольца с валом при рабочих нагрузках с расчетом напряженно деформированного состояния внутреннего кольца подшипника запрессованного на вал.
Объект исследования: внутренне кольцо роликоподшипника в опоре ротора газотурбинного двигателя.
Современное состояние исследования:
В статье [1] и [2] показано, что для подшипников газотурбинных двигателей применяют высокоточные подшипники из прочных сталей. Как правило, применяется на сквозь прокаливаемая сталь типа ЭИ347-Ш, ШХ15- Ш, М50, твердостью сопоставимой с режущим инструментом. Высокая твердость необходима для обеспечения высокой контактной выносливости подшипников. Обозначенные подшипниковые стали не в состоянии длительно и надёжно работать при больших напряжениях растяжения, возникающих: а) при высоких частотах вращения идти высоких параметрах d*n > 2.4...2.6 млн. (d диаметр отверстия, мм, и n частота вращения, об/мин); б) при прессовой и горячепрессовой посадке внутреннего кольца подшипника на вал; в) при сочетании двух этих условий. В отличии от усталостного выращивания, которое развивается медленно и легко обнаруживается датчиками, внезапная поломка или трещина кольца может создать опасность выхода из строя всей опоры двигателя. При высоком параметре d*n могут быть применены новые зарубежные подшипниковые стали типа M50Nil обладающие мягкой сердцевиной и твердой поверхностью глубиной 2 мм. Кроме того упрочненный слой содержит сжимающие остаточные напряжения, что дает возможность увеличить натяг на валу предотвращая раскрытие стыка в рабочих условиях.
Также в статье [3] рассказывается, что на сегодняшний день мировая тенденция направлена на дополнительные способы упрочнения, например, дуплексное упрочнение подшипниковых сталей - процесс дополнительного упрочнения поверхностного слоя глубиной 0.2 мм.
Зарубежные подшипниковые стали не всегда могут быть применены в отечественных двигателях, что связано со сложной геополитической обстановкой. Отечественная подшипниковая промышленность не располагает сталями аналогами M50Nil.
Современное состояние исследования для использования отечественных подшипниковых сталей направлено на детальную оценку НДС колец подшипника, с целью оценки их прочности. В связи с этим необходимы численные расчеты, учитывающие особенности геометрии.
Задачи:
• Расчетная оценка влияния температурного расширения материала и центробежных сил на прессовое соединение внутреннее кольцо подшипника - вал с использованием аналитических моделей.
• Определение условий возникновения зазора;
• Определение необходимого монтажного натяг для предотвращения зазора на максимальном режиме работы ГТД;
• Расчетная оценка максимального значения радиальных и окружных напряжений, возникающих в соединении вал - внутреннее кольцо подшипника, при посадке данных деталей с натягом;
• Отработка применения численных методов конечно элементного расчета с применением конечно-элементного пакета ANSYS.
Научная новизна: заключается в том, что была адаптирована тория толстостенных оболочек для определения напряжений в таком технологическом процессе, как посадка деталей с натягом, при конкретно заданных условиях.
Практическая значимость состоит в определении значения монтажного натяга, которое необходимо обеспечить для предотвращения зазора в соединении деталей при максимальном режиме работы ГТД. Также была отработана модель для проведения всех вышеописанных расчетов с применением конечно-элементного пакета ANSYS.
Купить