Газодинамический расчет компрессора и турбины высокого давления двигателя Д-436

треугольники 1 ступени по сечениям.cdw

Треугольники скоростей
-ой ступени компрессора
Треугольники скоростей для втулочного сечения
Треугольники скоростей для среднего сечения
Треугольники скоростей для коцевого сечения

треугольники 5,6,7 ступеней компрессора.cdw

Треугольники скоростей
Треугольники скоростей для 5-й ступени
Треугольники скоростей для 7-й ступени
Треугольники скоростей для 6-й ступени

Решетка профилей турбины _ 1402.201505.006.cdw

треугольники скоростей турбины.cdw

Треугольники скоростей
Треугольник скоростей для втулочного сечения
Треугольник скоростей для среднего сечения
Треугольник скоростей для концевого сечения

решетки профилей компрессора.cdw

треугольники 2,3,4 ступень компрессора.cdw

Треугольники скоростей
Треугольники скоростей для 2-й ступени
Треугольники скоростей для 3-й ступени
Треугольники скоростей для 4-й ступени

профиль турины.cdw

Пояснительная записка.docx

Формирование исходных данных для расчета компрессора4
Расчет компрессора по параметрам на среднем диаметре5
1 Геометрические параметры компрессора5
2 Обработка результатов расчета компрессора в ПК TURBOCOM12
Расчет ступени компрессора по радиусу20
Профилирование рабочего колеса компрессора22
Формирование исходных данных для расчета турбины25
Расчет турбины по параметрам на среднем диаметре26
Расчет ступени турбины по радиусу28
Профилирование рабочего колеса турбины30
Формирование исходных данных для расчета компрессора
Исходные данные для расчета:
- степень повышения давления в компрессоре
- полное давление воздуха на входе в компрессор
- полная температура воздуха на входе в компрессор
- расход воздуха через компрессор
- частота вращения ротора
- адиабатический КПД компрессора
Расчет компрессора по параметрам на среднем диаметре
1 Геометрические параметры компрессора
По чертежу двигателя Д-436 замеряются диаметры на входе в рабочие колеса всех ступеней Dк1 на выходе из них Dк2 на выходе из направляющего аппарата Dк3 а также диаметры втулок тех же сечений.
Относительный диаметр втулки определяется по формуле
Средние диаметры рассчитываются по формуле
Для определения типа проточной части рассчитываются параметры Dк2Dк1 Dср2Dср1 Dвт2Dвт1. Наиболее близкие к 1 из полученных параметров определят тип проточной части. Результаты расчета заносятся в таблицу 1.
Таблица 1 – расчет геометрических параметров компрессора
По данным таблицы 1 в программном комплексе MS Office Excel строится график проточной части компрессора (рисунок 1).
Рисунок 1 – Проточная часть компрессора в ПК MS Office Excel
Затраченная работа компрессора рассчитывается по формуле
Далее производится распределение затраченного напора по ступеням с соблюдение условия
где z – число ступеней - затраченный напор в i-й ступени. При распределении затраченного напора по ступеням вводится коэффициент xi при этом
где - средний затраченный напор на одну ступень при этом равенство (1) можно переписать в виде
По рекомендации [1] принимаются следующие коэффициенты: для первой ступени x1 = 075 для второй x2 = 09 для третьей x3 = 1 для четвертой x4 = 11 для пятой x5 = 111 для шестой x6 = 108 для седьмой x7 = 106.
Проверка соблюдения условия (2):
Результаты расчета заносятся в таблицу 2.
Далее вычисляется полная температура на выходе из рабочего колеса каждой ступени по формуле
Температура на выходе из ступени
Результаты расчета также заносятся в таблицу 2.
В соответствии с рекомендациями [1] принимаются следующие распределения КПД по ступеням:
Далее рассчитываются степени повышения давления в каждой ступени по формуле
Результаты заносятся в таблицу 2.
Общая степень повышения давления рассчитывается по формуле
Общий КПД компрессора вычисляется по формуле
Обе полученные погрешности менее 3% значит подбор параметров произведен верно.
Таблица 2 – распределение параметров компрессора по тракту
Далее производится распределение осевых скоростей по тракту компрессора. Осевая скорость на входе в компрессор рассчитывается по следующей зависимости
Значение приведенной скорости на входе в компрессор находится через приведенную плотность тока . Приведенная плотность тока находится по зависимости
где площадь на входе в компрессор находится по формуле
Полученное значение подставляется в формулу (4) и вычисляется
По таблице газодинамических функций находится значение .
Полученное значение подставляется в формулу (3) и вычисляется
Осевая скорость на выходе из компрессора рассчитывается по следующей зависимости
Подставляется полученное значение в формулу (6) и вычисляется
Полученное значение подставляется в формулу (5) и вычисляется
В первом приближении задается линейный закон изменения осевых скоростей. Тогда падение осевой скорости в ступени рассчитывается как
Вычисляются осевые скорости во всех сечениях:
После проведения всех необходимых расчетов составляется таблица исходных данных (таблица 3).
Таблица 3 – исходные данные
Затраченный напор Джкг
Степень повышения давления в ступени
Полная температура на входе в ступень К
Полная температура на выходе из ступени К
Продолжение таблицы 3
Осевая скорость на входе в РК мс
Осевая скорость за РК мс
Число лопаток z в ступенях компрессора находится из [2]
Шаг решетки вычисляется по формуле
На чертеже компрессора измеряется ширина S рабочих колес и направляющих аппаратов и заносится в таблицу 4.
Задается в первом приближении угол установки лопаток рабочего колеса 40° а лопаток направляющего аппарата – 70° и находятся хорды лопаток на среднем диаметре по формуле
Далее рассчитывается густота решеток (bt)(i) и удлинение лопаток hb(i) где
Полученные значения также заносятся в таблицу 4.
В соответствии с рекомендациями [1] определяются такие параметры как степень реактивности на среднем диаметре ρ коэффициент учитывающий потери затрачиваемой работы KH и коэффициент восстановления полного давления в направляющем аппарате НА.
Выбранные значения заносятся в таблицу 4.
Все полученные значения заносятся в программный комплекс TURBOCOM после чего производится расчет компрессора и дальнейшая обработка результатов.
Таблица 4 – дополнительные параметры
Продолжение таблицы 4.
2 Обработка результатов расчета компрессора в ПК TURBOCOM
Схема полученной в ПК TURBOCOM проточной части компрессора приводится на рисунке 2.
Рисунок 2 – Проточная часть компрессора
Тип ступени определяется по приведенной скорости: для рабочего колеса – скорости в относительном движении на входе в рабочее колесо W1 для направляющего аппарата – скорости в абсолютном движении на входе в направляющий аппарат C2. Для этого в таблицу 5 заносятся соответствующие скорости полученные в результате расчета в ПК TURBOCOM.
Значение приведенной скорости определяется по формуле
Полученные значения заносятся в таблицу 5.
Таблица 5 – определение типа ступеней
В соответствии с рекомендациями [1] принимается что рабочие колеса ступеней – дозвуковые (λ 09).
Далее проводится уточнение угла установки лопаток РК всех ступеней. Для этого в созданной модели в ПК TURBOCOM к каждой ступени поочередно подцепляется элемент «Профилирование» в который вносятся входные данные: относительная максимальная толщина профиля (в соответствии с рекомендацией ПК TURBOCOM на данном радиусе и для данного типа профиля) тип ступени и угол атаки – для дозвуковых ступеней i = 3°. Далее производится расчет и в выходных параметрах элемента «Профилирование» берутся значение углов установки профиля для каждой ступени. Затем с учетом этих углов пересчитываются удлинения лопаток и густоты решеток РК всех ступеней и заново заносятся на входные параметры каждой ступени. Все полученные значения заносятся в таблицу 6.
Таблица 6 – уточнение угла установки профиля лопаток РК
Треугольники скоростей ступеней полученные в результате расчета модели компрессора в ПК TURBOCOM приводятся на рисунке 3.
Рисунок 3 – Треугольники скоростей компрессора на среднем диаметре
а – первая ступень; б – вторая ступень; в – третья ступень; г – четвертая ступень; д – пятая ступень; е – шестая ступень; ж – седьмая ступень
График изменения давления по ступеням компрессора полученный в ПК TURBOCOM приводится на рисунке 4.
Рисунок 4 – График изменения давления по ступеням компрессора
График изменения скоростей по ступеням компрессора полученный в ПК TURBOCOM приводится на рисунке 5.
Рисунок 5 – График изменения скорости по ступеням компрессора
График изменения температуры по ступеням компрессора полученный в ПК TURBOCOM приводится на рисунке 6.
Рисунок 6 – График изменения температуры по ступеням компрессора
Расчет ступени компрессора по радиусу
Выбираются несколько сечений на конкретных радиусах и для каждого рассчитывается относительная высота лопатки. Для концевого сечения:
для втулочного сечения
После расчета необходимых относительных высот данные заносятся во входные параметры ступени. Задаются различные значения основного закона закрутки (от -1 до 1) и подбирается для обеспечения равенства параметра S чертежному значению парусность.
Все полученные значения заносятся в таблицу 7.
Таблица 7 – выбор закона закрутки
Продолжение таблицы 7
В соответствии с рекомендациями [1] закон закрутки выбирается так чтобы значение c1U ≥ 0 или же менее отрицательное; ρ > 0; Δ должно иметь как можно большее значение но меньше чем 35°. В соответствии с этим на втулочном среднем и концевом диаметрах закон закрутки должен равняться единице.
втулочное сечение m = 1;
концевое сечение m = 1;
Профилирование рабочего колеса компрессора
В результате расчета в ПК TURBOCOM рисуются профили рабочего колеса первой ступени компрессора на трех сечениях: втулочном (рис. 7 а) среднем (рис. 7 б) и концевом (рис. 7 в) а также треугольники скоростей на тех же сечениях (рис. 8).
Рисунок 7 – Профили рабочего колеса первой ступени компрессора
а – втулочное сечение; б – среднее сечение; в – концевое сечение
Рисунок 8 – Треугольники скоростей первой ступени компрессора
Формирование исходных данных для расчета турбины
Расход воздуха на выходе из камеры сгорания GГ = 37497 кгс.
Расход воздуха на выходе из соплового аппарата турбины высокого давления GСА ТВД = 40106 кгс.
Расход воздуха на выходе из турбины высокого давления GТВД = 42279 кгс.
Полное давление на выходе из камеры сгорания
Полное давление на выходе из турбины высокого давления
Полная температура на выходе из камеры сгорания
Полная температура на выходе из турбины высокого давления
Степень понижения давления в турбине высокого давления
Изоэнтропический КПД турбины высокого давления
Частота вращения ротора низкого давления nНД = 14510 обмин.
Количество ступеней турбины z = 1.
Расчет турбины по параметрам на среднем диаметре
Рассчитываются необходимые параметры для создания модели турбокомпрессора в ПК TURBOCOM.
Угол потока в абсолютном движении за РК принимается равным 90°.
По чертежу двигателя находятся следующие размеры:
средний диаметр на входе в СА
средний диаметр на входе в РК
средний диаметр на выходе в РК
высота лопатки СА на входе
высота лопатки на входе
высота лопатки РК на выходе
ширина РК на среднем диаметре
ширина СА на среднем диаметре
Степень реактивности принимается равной ρ = 055.
Угол потока на входе в СА принимается равным 90°.
В соответствии с рекомендациями в ПК TURBOCOM коэффициент скорости в СА принимается равным 097 а в РК – 096.
Далее все исходные и полученные данные заносятся ПК TURBOCOM и создается таким образом модель турбокомпрессора. Проводится расчет в программе.
По результатам расчета строится схема проточной части турбины (рисунок 9) и турбокомпрессора (рисунок 10).
Рисунок 9 – Проточная часть турбины
Рисунок 10 – Проточная часть турбокомпрессора
Расчет ступени турбины по радиусу
Помимо среднего выбираются еще два характерных сечения: втулочное и концевое и для каждого рассчитывается относительная высота лопатки. Для концевого сечения:
После расчета необходимых относительных высот данные заносятся во входные параметры ступени и производится расчет.
В результате расчета в ПК TURBOCOM рисуются треугольники скоростей на трех сечениях: втулочном (рис. 11 а) среднем (рис. 11 б) и концевом (рис. 11 в).
Рисунок 11 – Треугольники скоростей первой ступени турбины
Далее в ПК TURBOCOM составляется отчет содержащий в себе выходные данные всех сечений турбокомпрессора (приложение 1).
Профилирование рабочего колеса турбины
Исходные данные для профилирования берутся из расчета модели турбокомпрессора в ПК TURBOCOM на втулочном среднем и концевом диаметрах.
Угол потока в относительном движении на входе в РК
на втулочном диаметре
на среднем диаметре
на концевом диаметре
Угол потока в относительном движении на выходе в РК
Конструктивный угол на выходе из РК
Количество лопаток РК – 128.
Исходные данные заносятся в таблицу 8.
Далее в соответствии с рекомендациями [1] назначаются следующие величины:
а) максимальная толщина профиля
в) угол заострения входной кромки
на втулочном диаметре φ1 = 20°;
на среднем диаметре φ1 = 15°;
на концевом диаметре φ1 = 10°;
г) угол заострения выходной кромки
на втулочном диаметре φ2 = 10°;
на среднем диаметре φ2 = 8°;
на концевом диаметре φ2 = 6°;
д) угол отгиба профиля. Для определения данного параметра необходимо оценить значение числа Маха по абсолютной скорости на выходе из РК которое определяется по формуле (значение скорости находится по результатам расчета модели турбокомпрессора в ПК TURBOCOM c2 = 288 мс)
Полученное значение значительно меньше 08 поэтому для всех сечений угол отгиба профиля принимается равным л = 16°;
е) радиус входной кромки РК с охлаждаемыми лопатками (значение хорды находится по результатам расчета модели турбокомпрессора в ПК TURBOCOM b = 2238 мм)
ж) Радиус выходной кромки РК с охлаждаемыми лопатками
Принимается линейный закон изменения радиуса входной кромки РК по высоте лопатки тогда
Выбранные значения заносятся в таблицу 8.
Далее рассчитываются величины:
б) оптимальный относительный шаг решетки
в) входной конструктивный угол
г) угол установки профиля
Полученные результаты заносятся в таблицу 8.
Таблица 8 – исходные данные для профилирования рабочего колеса турбины
Угол потока в относительном
движении на входе в РК
движении на выходе из РК
Продолжение таблицы 8
Количество лопаток РК шт
Максимальная толщина профиля
Угол заострения входной кромки
Угол заострения выходной кромки
Радиус входной кромки РК мм
Радиус выходной кромки РК мм
Оптимальный относительный шаг
Входной конструктивный угол
Угол установки профиля
По данным таблицы 8 в соответствии с методикой [1] строятся профили рабочего колеса турбины на выбранных сечениях.
Проведен газодинамический расчет компрессора и турбины высокого давления двигателя типа Д-436. Спрофилированы рабочие лопатки первой ступени по высоте в трех сечениях компрессора и турбины а также построены треугольники скоростей для рабочих лопаток турбины и компрессора по среднему диаметру. Произведено построение проточной части турбины и компрессора.
На диаграмму Смита наносятся данные ступеней компрессора (рисунок 12) и турбины (рисунок 13).
Рисунок 12 – Диаграмма Смита для компрессора
Рисунок 13 – Диаграмма Смита для турбины
Для улучшения узлов рассматриваемого двигателя даются следующие рекомендации:
как видно из треугольников скоростей ступеней компрессора (см. рис. 3 8) все ступени не сильно нагружены (Δ 21 °). Увеличение загрузки первых трех ступеней дает увеличение что в свою очередь как видно из рисунка 12 ведет к увеличению КПД этих ступеней а значит и компрессора в целом;
Как видно из рисунка 13 увеличение КПД турбины можно возможно добиться путем увеличения до значения 075.
Расчет осевого компрессора в системе имитационного моделирования COMPRESSOR. Лабораторный практикум Уфимск. авиац. техн. ун-т. Сост.: А. Б. Михайлова Д. А. Ахмедзянов И. А. Кривошеев З. Н. Бакирова. – Уфа 2013.
Фавалеев С. В. Конструкция ТРДД Д-36 [электронный ресурс]: электрон. Учебное пособие С. Ф. Фалалеев; М-во образования и науки РФ Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева (Нац. исслед. ун-т) – Самара2013
Белоусов А.Н. Мусаткин Н.Ф. и др. Проектный термогазодинамический расчет основных параметров авиационных лопаточных машин. СГАУ Самара 2006 с316.
Гидрогазодинамика [Электронный ресурс] : метод. указания по самостоятельной работе сост. : Е. Б. Истягина А. С. Криволуцкий. – Электрон. дан. – Красноярск : ИПК СФУ 2009.
Холщевников К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учебное пособие. М.: Машиностроение 1970. 610 с.
Отчет ПК TURBOCOM по результатам
расчета модели турбокомпрессора двигателя Д-436