Введение

Развитие современного двигателестроения сопровождается постоянным ростом требований к ресурсу, надёжности, контролепригодности отдельных агрегатов и двигателя в целом. Обеспечение этих требований выполняется с совершенствованием конструкции отдельных агрегатов, технологий их изготовления, эксплуатации и ремонта.

Эффективность процессов технической эксплуатации (ТЭ) существенно повышается при реализации стратегий технического обслуживания по техническому состоянию (ТС). Для реализации данной стратегии необходимо постоянно знать текущий уровень технического состояния объекта эксплуатации. Кроме того, эффективность процессов ТЭ зависит от того, насколько удачно спроектирован двигатель с точки зрения эксплуатационной технологичности.

Проблема повышения эффективности технической эксплуатации особенно остро возникает в связи с непрерывным усложнением конструкции двигателя и ростом требований по обеспечению надежности.

Основная цель дипломного проекта заключается в закрепление знаний, полученных при изучении предшествующих дисциплин и применении полученных знаний для решения практических задач по разработке и совершенствованию процессов технического обслуживания (ТО) авиационной техники.

Дипломный проект состоит из шести разделов: "Анализ и совершенствование конструкции двигателя НК-12СТ", "Анализ и совершенствование технологического процесса (ТП) ТО двигателя НК-12СТ", "Обеспечение безопасности жизнедеятельности".

В первом разделе дипломного проектирования приводятся основные характеристики объекта, выполняется качественный и количественный анализ надежности. Исследуются причины возникновения неисправностей. Разрабатываются мероприятия по повышению надежности двигателя. Проводится качественный и количественный анализ эксплуатационной технологичности двигателя. Разрабатываются мероприятия по повышению эксплуатационной технологичности.

Во втором разделе анализируется и совершенствуется организационная структура существующего технологического процесса ТО, технологического оборудования.

В третьем разделе проводится углубленная проработка отдельных тех­нических вопросов, связанных с темой обеспечения безопасности жизнедеятельности, охраной труда и окружающей среды.

1 Анализ и совершенствование конструкциидвигателя нк-12ст

1.1 Особенности конструкции и эксплуатации двигателя нк-12ст

1.1.1 Особенности конструкции двигателя нк-12ст

Двигатель НК-12СТ является турбовальным газотурбинным двигателем, предназначенным для привода нагнетателей газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов большой протяженности [14].

В качестве топлива на двигателе используется природный газ.

При замене топливной аппаратуры двигатель может работать на жидком топливе и применяться как привод различных потребителей мощности.

Двигатель НК-12СТ - двигатель со свободной турбиной - спроектирован на базе авиационного двигателя.

Применение модификации авиационного двигателя в качестве при­вода нагнетателя газоперекачивающего агрегата позволило создать компактную компоновку с небольшим весом и габаритами, обеспечив автоматизацию процессов управления и регулирования режимов ра­боты двигателя при современном уровне экономичности и высокой на­дежности.

Двигатель НК-12СТ работоспособен в составе ГПА-Ц-6,3 в диапа­зоне изменения температур наружного воздуха от —55°С до +40°С при относительной влажности до 100%.

Турбовальный двигатель НК-12СТ является га­зотурбинным двигателем, в котором свободная энергия преобразуется в мощность на выводном валу с помощью свободной силовой турбины.

Общий вид двигателя показан на рисунке 1, про­дольный разрез на рисунке 2.

Р исунок 1.1 – Общий вид двигателя НК-12СТ

Запуск двигателя автоматический. Раскрутка обеспечивается воздушным стартером, приводимым газом, транспортируемым по газопроводу. При за­пуске стартер раскручивает ротор турбокомпрес­сора, а от него, через соответствующие приводы, вступают в работу агрегаты топливной и масляной системы, а также агрегаты управления механиза­цией компрессора.

Воспламенение газовоздушной смеси в камере сгорания обеспечивается катушками зажигания и воспламенителями.

Система запуска включает в себя воздушный стартер, катушки зажигания, воспламенители со свечами, центробежный выключатель, электромаг­нитный клапан пускового топливного газа, электро­магнитные клапаны дозатора газа.

Система регулирования, в состав которой вхо­дит топливная система и система управления ме­ханизацией компрессора, предназначена для авто­матического питания двигателя топливным газом на всех режимах работы и для получения требуе­мых параметров в заданных диапазонах изменения внешних факторов и рабочих характеристик дви­гателя.

В топливную систему входят: кольцевой топ­ливный коллектор, двенадцать рабочих форсунок, дозатор газа ДГ-12 с регулятором оборотов тур­бокомпрессора ОГ-12 (РО-12), стопорный клапан.

Ограничитель оборотов свободной турбины ОГ-8-4, сигнализатор предельных оборотов ротора сво­бодной турбины СПО-23, регулятор температуры газов перед свободной турбиной УРТ-19А-ЗУ, сов­местно с агрегатами топливной системы, обеспечи­вают автоматическое регулирование параметров в зависимости от изменения внешних факторов и ра­бочих характеристик двигателя.

М еханизацию управления компрессора и из компрессора обеспе­ чивает агрегат управления АУ-12СТМ, гидроусилитель регулируемого вход­ного направляющего аппарата и гидроприводы кла­панов перепуска воздуха.

Рисунок 1.2 – Продольный разрез двигателя НК-12СТ

На двигателе предусмотрена система контро­ля и защиты, которая работает совместно с сис­темой регулирования, и обеспечивает контроль за работой двигателя (замер частоты вращения тур­бокомпрессора и свободной турбины, замер темпе­ратуры газов перед свободной турбиной) и защи­ту двигателя при неправильной эксплуатации или при появлении неисправностей в узлах (защита по предельной частоте вращения свободной тур­бины, защита по предельному уровню виброуско­рений, защита по предельной температуре газов перед свободной турбиной, защита по помпажному режиму, защита по утечке пускового топливного газа).

Двигатель снабжен короткозамкнутой мас­ляной системой циркуляционного типа.

Агрегаты масляной системы обеспечивают по­дачу масла для смазки и охлаждения деталей и узлов двигателя и для работы агрегатов системы регулирования.

В масляную систему входят нагнетающие на­сосы, откачивающие насосы, суфлеры, воздухо­отделитель, основной масляный фильтр.

В состав двигателя входят следующие основ­ные узлы:

- передняя опора;

- осевой четырнадцатиступенчатый компрес­сор (рисунок 2, 1);

- трехступенчатая турбина компрессора (рисунок 2, 2);

- одноступенчатая свободная турбина (рисунок 2, 3).

Двигатель снабжен; агрегатами масляной систе­мы, системы регулирования, системы запуска и системы контроля и защиты.

На двигателе установлены приборы, контроли­рующие его работу.

Передняя опора является силовым эле­ментом двигателя, воспринимающим нагрузки от статора и ротора компрессора и передающим их через цапфы подвесок на раму установки. В перед­ней опоре установлен центральный привод, кото­рый передает крутящий момент с турбины на при­вод агрегатов масляной системы и коробок приво­дов.

Корпус передней опоры состоит из наружной кольцевой коробки, связанной с внутренним кону­сом шестью полыми обтекаемыми ребрами. Поверхности наружной кольцевой коробки и внутренне­го конуса профилированы и образуют вместе с реб­рами шесть каналов, по которым в компрессор пос­тупает воздух. Пустотелые ребра использованы для размещения внутри них приводов к агрегатам, а также масляных и воздушных коммуникаций.

В передней опоре смонтирован входной регули­руемый направляющий аппарат компрессора и ро­ликовый подшипник ротора компрессора.

На задней стенке корпуса передней опоры име­ются фланцы крепления привода центробежного суфлера, масляного фильтра, привода нижней ко­робки приводов.

На наружной поверхности корпуса предусмот­рены фланцы крепления масляного агрегата, при­вода воздушного стартера, масляного насоса, аг­регатов регулирования, сигнализатора обледенения и гидропривода входного регулируемого направля­ющего аппарата компрессора.

Компрессор - четырнадцатиступенчатый, осевой, служит для повышения давления воздуха, поступающего в камеру сгорания, и состоит из ро­тора и статора. Ротор компрессора барабанно-дисковой конструкции, состоит из четырнадцати от­дельных рабочих колес и заднего вала, жестко сое­диненных друг с другом. Ротор вращается на двух подшипниках качения. Передний подшипник - ро­ликовый, допускающий осевое перемещение рото­ра под действием осевых сил и температурных де­формаций. Задний подшипник - радиально-упорный шариковый. Он обеспечивает осевую фикса­цию ротора. Задний вал компрессора сочленен с передним валом турбины при помощи шлицевого соединения и соединительного болта.

Статор компрессора состоит из картера, направ­ляющих аппаратов и рабочих колец. Картер и направляющие аппараты разъемные, с разъемом в горизонтальной плоскости.

Соединение половин болтовое и осуществлено по продольным фланцам, приваренным к каждой по­ловине картера. Направляющие аппараты и коль­ца рабочих колес, образуют сужающийся тракт статора компрессора.

Нормальную работу компрессора на нерасчетных режимах обеспечивают регулируемый входной направляющий аппарат и клапана перепуска воздуха. На верхней половине картера размещена коробка приводов агрегатов, воздушный стартер ВС-12, кронштейн со штепсельными разъемами, пусковые катушки зажигания. На нижней половине картера размещены дозатор газа, коробка приводов агрегатов двигателя, агрегат управления воздушными клапанами и входным направляющим аппаратом, клапан перепуска топлива и др.

Картер турбины, расположенный между компрессором и газовой турбиной компрессора, является силовым узлом двигателя. В нем размещены камера сгорания кольцевого типа, опоры для валов компрессора и турбины, в передней части картера располагается шариковый подшипник задней опоры ротора компрессора, в задней – роликовый подшипник передней опоры ротора турбины.

Камера сгорания кольцевого типа сварной конструкции, имеет двенадцать головок, соединенных в блок, переходящий в кольцевую полость камеры. В каждой головке расположены завихрители, во втулках которых смонтированы топливные форсунки. Воспламенение топлива в камере сгорания обеспечивают два воспламенителя.

Газовая трехступенчатая, осевая турбины компрессора предназначена для привода во вращение ротора компрессора, а также агрегатов, обслуживающих двигатель.

Ротор турбины состоит из трех рабочих колес, переднего и заднего валов. Ротор вращается на двух роликовых подшипниках. Передний подшипник установлен в картере турбины, задний – в промежуточной опоре турбины.

Лопатки в дисках закреплены при помощи хвостовика «елочного типа» и закреплены от осевых перемещений пластинчатыми замками. Перетекание газа между ступенями турбины ограничивают газовые лабиринтные уплотнения.

Статор турбины состоит из соплового аппарата первой ступени с охлаждаемыми лопатками и сопловых аппаратов двух последующих ступеней турбины. Каждый сопловой аппарат имеет наружные и внутренние кольца, между которыми установлены лопатки, образующие каналы для газа, поступающего на лопатки рабочего коле­са. Наружное кольцо образует тракт над рабочим колесом соответствующей ступени. Для обеспече­ния минимальных радиальных зазоров по наруж­ному диаметру ротора турбины в наружное коль­цо установлены металлокерамические вставки. На­ружные кольца сопловых аппаратов, соединенные между собой, образуют силовую часть статора. Внутренние кольца сопловых аппаратов центриру­ются по нижним концам лопаток. Лопатки имеют возможность свободно расширяться при нагреве.

Промежуточная опора турбины яв­ляется силовым узлом, в котором установлен задний подшипник ротора турбины компрессора.

Подшипник установлен в корпусе демпфера, прикрепленном болтами к несущему фланцу внут­реннего корпуса. В корпусе демпфера размещен также демпфер, назначение которого - снизить виброперегрузки при прохождении ротором турби­ны критической частоты вращения.

Для предохранения подшипника от воздейст­вия высоких температур предусмотрена тепловая изоляция.

Внутренний и наружный кожухи промежуточной опоры, с приваренными к ним ребрами, образуют газовый тракт, по которому газ направляется к свободной турбине.

Свободная турбина - одноступенчатая, осевая, предназначена для привода центробежного нагнетателя газоперекачивающего агрегата. Ро­торы турбины компрессора и свободной турби­ны не имеют между собой механической связи.

Свободная турбина состоит из ротора, статора и опоры. Ротор, состоящий из рабочего колеса и ва­ла, вращается в двух опорах: передняя - ролико­вый подшипник, задняя - пакет из роликового и шарикового подшипников. Оба подшипниковых узла установлены в опоре свободной турбины. Крепление лопаток в диске осуществлено при по­мощи хвостовиков «елочного типа». Лопатки за­контрены от осевых перемещений пластинчатыми замками. На диске выполнен двухрядный лаби­ринт, который вместе с уплотнительным кольцом образует газовое лабиринтовое уплотнение.

Крутящий момент с вала ротора свободной тур­бины через шлицевую втулку, расположенную на его конце, передается на вал ротора центробежно­го нагнетателя посредством специального торсионного вала.

Статор турбины состоит из одного соплового аппарата сварной конструкции, имеющего наруж­ное и внутреннее кольца. В профильные прорези наружного кольца входят лопатки, приваренные к нему сваркой. Противоположные концы лопаток свободно входят в профильные прорези внутренне­го кольца. В наружном кольце установлены металлокерамические вставки. К внутреннему кольцу приварено кольцо - козырек, которое образует уплотнение, ограничивающее утечки газа из полос­ти перед сопловым аппаратом.

Опора свободной турбины является основным силовым элементом свободной турбины.

Наружный силовой кожух, соединенный бол­тами с литыми ребрами, приваренными к внутрен­нему корпусу опоры, воспринимает усилия от статора и ротора и передает их через подвески на ра­му установки.

Во внутреннем корпусе опоры установлены пе­редний и задний подшипниковые узлы ротора, дем­пфирующее устройство переднего подшипника, при­вод маслоагрегата.

Наружный и внутренний кожухи, соединенные пятью пустотелыми ребрами, образуют газовый тракт.

Пустотелые ребра использованы для размеще­ния масляных и воздушных коммуникаций.

На опоре установлена коробка приводов сво­бодной турбины и смонтированы цапфы задней подвески двигателя.

Для подвода воздуха на охлаждение наружной поверхности статора турбины на статоре смонтирован кожух, выполненный из двух половин, скреп­ленных стяжными лентами.

Основные технические данные двигателя

Тип и основные конструктивные элементы двигателя:

Условное обозначение	НК-12СТ
Тип	турбовальный со свободной турбиной
Направление вращения роторов (турбокомпрессора и свободной турбины)	левое
Компрессор двигателя:
а) тип	осевой
б) степень повышения полного давления, при стандартных условиях	7,8
в) число ступеней	14
г) механизация:
Клапаны перепуска воздуха из компрессора	с поворотными автоматически управляемыми заслонками; 5 шт.
Регулируемый входной направля­ющий аппарат	с поворотными автоматически управляемыми лопатками
Камера сгорания двигателя:
а) тип	кольцевая
б) количество головок в камере сгорания	12
Турбина двигателя:
а) тип	осевая, реактивная
б) число ступеней:
турбины компрессора	3
свободной турбины	1

Основные параметры двигателя:

Номинальный режим работы двигателя:
а) мощность на выводном валу свободной турбины при tН=15°С; ρН=760 мм рт. ст.	8560 - 2% л.с. (6300 - 2% квт)
б) частота вращения выводного вала	8200 об/мин. (136,7с-1)
в) эффективный КПД двигателя	23%
г) максимально-допустимая температура газов перед свободной турби­ной (средняя по 6 термопарам)	600°С
Минимальный режим работы двигателя:
мощность на выводном валу при tН=15°С; ρН =760 мм рт. ст.	4200 л. с. (3100 квт)
Рабочий диапазон изменения часто­ты вращения выводного вала:
а) максимальная частота враще­ния, не более	8500 об/мин (141,6 с-1)
б) минимальная частота вращения не менее	6150 об/мин, (102,5 с-1)
Отборы воздуха от двигателя:
а) на продувку фильтра входного устройства периодически на любом режиме	0,3 кг/с
б) на эжектор обдува статора турбины постоянно	0,1 кг/с
в) для обогрева контейнера при tН0 на режимах от номинального и ниже	0,1 кг/с

Габариты и вес двигателя:

Длина двигателя	4742 мм (без учета выхлопной трубы)
Масса сухая двигателя, не более	3500 кг