Расширение Пунгинской ПХГ (подземного хранилища газа)
4. Расчет на прочность диска ТВД
Разрушение дисков является одной из наиболее тяжелых аварий, поскольку оно, как правило, влечет за собой полное разрушение турбины, а также наносит серьезный урон соседнему оборудованию.
Диски роторов являются одними из самых напряженных элементов турбомашин. Основные напряжения в дисках возникают вследствие центробежных сил инерции, обусловленных вращением ротора (динамические напряжения), и неравномерного распределения температуры по объему диска (температурные напряжения). Прочностные расчеты дисков турбомашин обязательны при их проектировании, так как они позволяют достичь необходимого запаса прочности и тем самым обеспечить достаточную надежность и долговечность эксплуатации турбомашин.
Динамические силы и напряжения, связанные с колебаниями и определяющие длительную усталостную прочность деталей в рамках данного дипломного проекта не рассматриваются. Расчет произведен для рабочего колеса ступени турбины высокого давления.
Основными величинами, влияющими на прочность диска, являются температура, воздействующая на него при работе и напряжения от действия центробежных сил.
В расчете используются следующие величины:
N - число разбиений диска на участки;
- плотность материала диска, ;
n - частота вращения диска, ;
- радиусы участков диска, м;
- ширины участков дисков, м;
- значения температур участков диска, ;
- значения коэффициентов линейного расширения, ;
- значения модуля упругости материала диска по участкам, МПа;
- значение динамических радиальных напряжений, МПа;
- значение динамических тангенциальных напряжений, МПа;
- значение температурных радиальных напряжений, МПа;
- значение температурных тангенциальных напряжений, МПа.
Свойства материала: предел текучести , модуль упругости , коэффициент Пуассона и коэффициент линейного расширения - принимаем в соответствии с температурой диска.
Таблица 4.1. Параметры, необходимые для расчёта диска ТВД
Материал диска |
МПа |
МПа |
r0 |
r1 |
rа |
rоб |
у0 |
у1 |
уа |
уоб |
t0,0С |
t, 0С |
|
20Х12ВНМФШ |
10 |
220 |
00 |
150 |
450 |
520 |
190 |
100 |
55 |
65 |
400 |
36 |
Таблица 4.2. Характеристики материала диска
Характеристика материала |
Температура 0С |
|||||||
20 |
100 |
2300 |
300 |
400 |
500 |
600 |
||
Модуль упругости, ??????МПа |
2,14 |
2,12 |
2,09 |
2,03 |
1,95 |
1,87 |
1,71 |
|
Коэффициент линейного расширения, ?t.10-6, 1/ 0C |
10,4 |
- |
10,5 |
10,7 |
11,0 |
11,4 |
12,0 |
|
Коэффициент Пуассона, ? |
0,3, |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
|
Плотность, ?, кг/м3 |
7850 |
7850 |
7850 |
7850 |
7850 |
7850 |
7850 |
|
Предел текучести, ?0.2, МПа |
559 |
545 |
527 |
509 |
491 |
456 |
368 |
Для расчета разобьем диск на 10 частей. На каждом участке реальный профиль заменяется профилем постоянной ширины. Температурный режим диска задается исходя из условий эксплуатации. Распределение температуры диска по радиусу задано в виде функции
Распределение температуры диска по радиусу отображено в табл.4.1
Таблица 4.3. Распределение температуры по радиусу диска
№ участка |
Внутренний радиус участка, rср, м |
Температура участка, t, 0C |
|
1 |
0,025 |
400 |
|
2 |
0,045 |
400 |
|
3 |
0,110 |
400 |
|
4 |
0,150 |
400 |
|
5 |
0,250 |
401 |
|
6 |
0,350 |
406 |
|
7 |
0,410 |
415 |
|
8 |
0,450 |
427 |
|
9 |
0,485 |
436 |
|
10 |
0,520 |
436 |
Расчет напряжений производится с применением ЭВМ (программа DISK22), исходные данные и результаты этого расчета приведены в прил.1.
- суммарные тангенциальные напряжения в точке диска,
- суммарные радиальные напряжения в точке диска.
Изменение температуры по радиусу диска отображено на рис.4.1
Эпюры распределения напряжений отображены на рис.4.2
=
== 254,1 МПа.
Запас прочности определяет коэффициент запаса прочности (). Для выбранного материала диска (сплав 20Х12ВНМФШ) при t = 436 С предел текучести =478 МПа.
Коэффициент запаса прочности: kзап =/?max =1,88.
Так как значение коэффициента запаса прочности вошло в необходимый диапазон (1,5 < kзап < 2,0), можно считать, что диск выдержит оказываемую на него нагрузку.