Лекция №12 Рабочая модель лопатки.

Конкретная конструкция лопатки отличается от своей схемы количественной определенностью. Рабочая модель - совокупность линейных и угловых размеров, однозначно описывающих её геометрическую форму, а так же свойства материала, из которого выполняется деталь. Под размерами понимаются не только их номинальные значения, но и допустимые отклонения.

Предполагается также, что свойство материала в любой точке лопатки сохраняется в пределах стандарта на этот материал.

Наглядным представлением рабочей модели лопатки является чертёж (см. рис. 12.1). Ясно, что сам объект от своей рабочей модели отличается не только физической сущностью, но и неравномерностью свойств материала в пределах объёма занимаемого лопаткой, а также истинными линейными и угловыми размерами.

Рис. 12.1. Рабочий чертеж лопатки.

Для определения рабочей модели известные до начала проектирования исходные данные дополняются выбором конкретного материала. Этот выбор в известной мере определяется температурой возможного нагрева лопатки. Наконец исходные данные дополняются информацией относительно особенностей предполагаемого технологического процесса изготовления лопатки.

По всем исходным данным и выбранной конструктивной схеме можно получить или синтезировать первый вариант конструкции лопатки. Даже визуальный анализ этого варианта вида чертежа может подсказать проектировщику пути совершенствования конструкции.

В динамическом единстве синтеза конструкции и анализа её характеристик осуществляется графическая, расчётная и логическая работа по проектированию. Этот процесс продолжается до тех пор, пока очередной вариант конструкции будет удовлетворять заданным характеристикам.

Спроектированная таким образом лопатка изготавливается как опытный образец и её испытывают. По результатам снова корректирует проект из-за несоответствия фактических параметров.

Алгоритмизация процесса проектирования в условиях многовариантности конструктивных схем.

Основным техническим средством автоматизированного проектирования является ЭВМ, которая оперирует цифровой информацией. Отсюда проблема разработки процессов проектирования и графического представления конструкций в виде операции над числами. Решение такой задачи базируется на изоморфизме, т. е взаимнооднозначном соответствии между множеством их цифровых описаний.

Решение любой задачи на ЭВМ предшествует разработка аналитического метода, составления алгоритма и программы на какой либо алгоритмическом языке.

Метод аналитического проектирования – это обоснование и изложение математическим языком идеи решения сформулированной задачи.

Алгоритм – это понятное и точное предписание определяющее процесс преобразования исходной системы величин в результат.

Алгоритм – это система формальных инструкций однозначно приводящих к решению задачи.

В приложении к автоматизированному проектированию – это своеобразная технология расчёта и принятия решения, которая, отправляясь от исходных данных, приводит к результату математической модели конкретной конструкции. При автоматическом проектировании детали в сферу деятельности конструктора входит критерий качества проектирования и формирования комплекта исходных данных, т. е конструктивной схемы или множества схем деталей, внешних условий работы характеристик ля изготовления деталей, а также неизменяемых параметров конструкций.

Собственно аналитическое описание процесса проектирования лопаток состоит из блоков арифметических и логических операций. Основой для разработки арифметических блоков являются закономерности, выявленные различными науками.

Логические блоки в процессе проектирования решают задачи:

1. Проверку истинности, ложности различных определяющих взаимосвязей элементов конструкций

2. Принятие решения на основе анализа возникающих ситуаций (переход на новую конструктивную схему)

Состав арифметических блоков в значительной мере зависит от разного рода допущений упрощающих задачу.

Применительно к проектированию лопатки идеализация или упрощения действительности касается:

1. Представление геометрии лопаток

2. Выбора модели течения рабочего тела, взаимодействующего с лопаткой.

3. Выбора схем нагружения лопатки от действия центробежных и газовых сил.

Математическая модель лопатки отличается от реальной конструкции.

Пример: при формировании модели расчёта массы часто упрощают поверхности перехода от пера к бандажной полке и хвостовику, а также к поверхности различных облегчающих конструкцию выемок на концевых элементах

При большой длине лопатки такие упрощения слабо влияют на погрешности расчёта.

При проверочном расчёте течения газа в межлопаточных каналах используют разные уровни модели и течения в зависимости от степени завершённости проекта. На промежуточном этапе, достаточно использовать одномерную модель.

При проверке окончательного вида конструкции, необходимы 2-х или даже 3-х мерные модели течения.

Аналогичный подход и при расчётах на прочность. На ранних этапах можно отказаться от учёта большого разнообразия взаимных конструктивных решений, особенно касающихся концевых элементов.

Наличие элементов облегчения хвостовика порождают сотни вариантов конструктивных схем.

Для турбинных лопаток с бандажной полкой и удлиненной ножкой число возможных конструктивных схем возрастают до 10, 100, 1000. Чтобы обилие конструктивных схем не повлекло бы за собой такого же количества аналитических методов, алгоритмов, вводится понятие семейство конструктивных схем.

Семейство конструктивных схем – это такая совокупность конструктивных схем, при которой из наиболее сложных схем путём упразднения элементов и подэлементов получаются другие схемы (рис. 12.2).

Проектирование лопатки любой конструктивной схемы можно выполнять по одному методу, описывающему процесс создания лопатки наиболее сложной конструктивной схемы.

Рис. 12.2. Лопатки, принадлежащие к одному семейству конструктивных схем (отличаются способом фиксации в осевом направлении).

Переход от сложной схемы к простой.

Пусть предусмотрен выступ на полке хвостовика длиной L в сторону соплового аппарата с целью создания лабиринтного уплотнения (рис. 12.3). Поскольку теория таких лабиринтов ещё не достаточно надёжна, то размер L задается конструктором в качестве исходного данного при проектировании хвостовика. Если же конструктор сочтёт нецелесообразным установку такого выступа, то достаточно в комплекте исходных данных задать L=0 и алгоритм проектирования обеспечит проектирование хвостовика лопатки без этого элемента.

Рис. 12.3. Уплотнение осевого зазора.

Переход от простого к сложному.

При проектировании полки хвостовика сначала рассматривается наиболее простые профили. Конфигурацию полки усложняют. Проекции боковых граней представляются ломаными линиями (рис. 12.4). При полученной кривизне и размере корневого сечения осуществляется переход к более сложной конструктивной схеме семейства.

Рис. 12.4. Начальная и конечная конфигурации нижней полки.