Проектирование осевой турбины авиационного двигателя JT9D20 - СГАУ

Планы скоростей.cdw

Профиль лопатки в сечении по среднему диаметру.
Профиль лопатки в сечении по периферийному диаметру
Профиль лопатки в сечении по втулочному диаметру
Планы скоростей в контрольных сечениях
Периферийный диаметр

ТРДД.cdw

Рис.1. Построение меридиональной формы прточной части турбины ВД

КурсачТВД.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Самарский государственный аэрокосмический университет
имени академика С.П. Королева
Кафедра теории двигателей летательных аппаратов
Курсовая работа по курсу
«Теория и расчет лопаточных машин»
Проектирование осевой турбины авиационного двигателя JT9D20
Произвести проектный расчет основных параметров турбокомпрессора высокого давления и построить меридиональное сечение турбины высокого давления ТРДД JT9D-70A произвести термодинамический расчет турбины кинематический расчет второй ступени турбины и спрофилировать лопатку рабочего колеса в трех сечениях: втулочном среднем и периферийном сечениях.
Исходные данные для расчета турбины.
Исходные параметры турбины известны из термодинамического расчета двигателя на взлетном режиме (HП=0 и MП=0).
Турбина высокого давления
Турбина низкого давления
Таблица 1 – Исходные данные для проектирования турбины
Курсовая работа по термогазодинамическому проектированию осевой турбины JT9D20.
Пояснительная записка: 32 стр. 1 рис. 2 табл. 3 прил. 4 источника.
ТУРБИНА КОМПРЕССОР ПРОТОЧНАЯ ЧАСТЬ КОЛЕСО РАБОЧЕЕ АППАРАТ СОПЛОВОЙ СТУПЕНЬ УГОЛ ВЫХОДА ПОТОКА УГОЛ ЭФФЕКТИВНЫЙ УГОЛ УСТАНОВКИ ПРОФИЛЯ ШАГ РЕШЕТКИ ШИРИНА РЕШЕТКИ
В данной курсовой работе был произведен расчет диаметральных размеров турбины высокого давления построено меридиональное сечение проточной части выполнен кинематический расчет ступени на среднем диаметре и расчет параметров по высоте лопатки при законе закрутки α=const с построением треугольников скоростей на входе на выходе из РК в трех сечениях (втулочном периферийном и сечении на среднем диаметре). Рассчитан профиль лопатки рабочего колеса второй ступени с последующим построение контура профиля в решетке в трех сечениях.
Проектный расчет основных параметров турбины высокого давления.9
1. Расчет геометрических и режимных параметров турбины ВД.9
2 Построение меридионального сечения проточной части турбины ВД . . 12
Термогазодинамический расчет турбины.14
1. Распределение теплоперепада по ступеням14
2. Кинематический расчет ступени на среднем диаметре16
Параметры потока за сопловым аппаратом16
Параметры потока на выходе из РК19
3. Расчет эффективной работы ступени с учетом потерь на трение диска и в радиальном зазоре21
4. Расчет параметров потока на различных радиусах24
Определение параметров для втулочного сечения лопатки24
Параметры в периферийном сечении25
Расчет параметров потока на выходе из РК27
Расчет параметров в периферийном сечении на выходе из РК28
Профилирование лопатки рабочего колеса.30
Список использованных источников32
Условные обозначения
- относительный диаметр втулки;
h – высота лопатки м;
F- площадь сечения м2;
G – массовый расход газа (воздуха) кгс;
H – высота полета км; напор компрессора кДжкг;
k – показатель изоэнтропы;
n – частота вращения 1мин;
с – скорость потока мс;
R – газовая постоянная кДжкг×град;
L*к(т) – удельная работа компрессора (турбины);
hк(т) – КПД компрессора (турбины);
S – осевая ширина венца м;
t - назначенный ресурс ч;
V – скорость полета мс;
pк pт – степень повышения (понижения) полного давления;
s - коэффициент восстановления полного давления воздуха (газа) в элементах двигателя; растягивающие напряжения МПа;
n - коэффициент изменения массового расхода;
U – окружная скорость мс;
Yт*=Uт срC*тs – параметр нагруженности турбины;
D- величина зазора м;
e=U2т срhт выхDср вых – параметр напряжений в лопатках турбины м2с2;
Ктк Ктв – параметры согласования газогенератора турбовентилятора.
a – осевая составляющая;
в – воздух сечение на входе в компрессор ;
вт – втулочное сечение;
г – газы сечение на выходе из турбины ;
к – компрессор сечение на выходе из компрессора ;
кс – камера сгорания ;
н- сечение невозмущенного потока ;
на – направляющий аппарат;
п – полетный параметр периферийный диаметр;
пр – приведенные параметры;
пс – подпорная ступень;
s – изоэнтропические параметры;
с – секундный сечение на выходе из сопла ;
ср – средний параметр;
ст – параметр ступени;
т – топливо турбина сечение на входе в турбину ;
*- параметры торможения.
ВД – высокое давление;
НД – низкое давление;
ВНА – входной направляющий аппарат;
ГДФ – газодинамические функции ;
ГТД – газотурбинный двигатель ;
КПД – коэффициент полезного действия;
НА – направляющий аппарат;
РК – рабочее колесо;
СА – сопловой аппарат турбины;
САУ – стандартные атмосферные условия ;
ТРДД – турбореактивный двухконтурный двигатель.
Данная работа содержит упрощенный вариант газодинамического расчета осевой турбины при котором вариантный поиск оптимальных (компромиссных) параметров заменяется надежными статистическими рекомендациями полученным при систематизации материалов по расчету турбин современных ГТД. Проектирование выполняется по исходным параметрам полученным в термогазодинамическом расчете двигателя.
Цель проектирования осевой авиационной турбины состоит в определении основных геометрических кинематических и термодинамических параметров в целом и ее отдельных ступеней которые обеспечивают расчетные значения удельных и общих параметров двигателя. В этой связи задачи проектирования предполагают: выбор основных геометрических параметров проектируемой турбины при заданных параметрах рабочего тела с учетом целевого назначения ГТД; распределение теплоперепада по ступеням выполнение расчета параметров потока в зазорах между ступенями; расчет параметров потока в элементах проточной части второй ступени турбины на среднем диаметре; выбор закона закрутки и расчет изменения параметров потока вдоль радиуса (высоты лопатки) проектируемой ступени; выполнение профилирования рабочих лопаток проектируемой ступени.
Проектный расчет основных параметров турбины высокого давления.
1. Расчет геометрических и режимных параметров турбины ВД.
Геометрические параметры турбины которые необходимо определить приведены на рисунке1.
Рисунок 1 – Геометрическая модель осевой турбины
Определяется величина отношения Dсрh2 (h2 – высота рабочих лопаток на выходе из турбины ВД) по формуле
где т – параметр напряжений величина которого обычно располагается в пределах (13 18)103 м2с2.
Принимаем т=15103 м2с2. Тогда:
С целью получения высокого КПД желательно иметь . Поэтому выбирается новое значение . Тогда
Задаваясь величиной осевой скорости газа на входе в турбину (С0=150 мс) определяют приведенную осевую скорость λ0 (λ0=020 025)
Кольцевая площадь на входе в СА турбины ВД:
Вычисляем кольцевую площадь на выходе из турбины . Для этого предварительно оценивают величину осевой составляющей скорости на выходе из турбины . Принимаем что = 15; . Тогда
По выбранной величине определяется высота рабочей лопатки на выходе из турбины ВД:
Средний диаметр на выходе из турбины ВД
Периферийный диаметр на выходе из РК:
Втулочный диаметр на выходе из РК:
Форма проточной части имеет вид: Поэтому:
Высота сопловой лопатки на входе в турбину оценивается следующим образом:
Периферийный диаметр соплового аппарата на входе в турбину ВД:
Втулочный диаметр на входе в турбину ВД:
Частота вращения ротора турбины ВД:
2. Построение меридионального сечения проточной
Наличие меридиональной формы проточной части необходимо для определения характерных диаметров Di в любом контрольном сечении ступени а не только в сечениях «0» и «2». Эти диаметры служат основой при выполнении например расчета параметров потока на различных радиусах проточной части а также проектирования профилей контрольных сечений пера лопатки.
Ширина венца соплового аппарата первой ступени:
Ширина венца рабочего колеса первой ступени:
принимаем кРК = 0045
Ширина венца соплового аппарата второй ступени:
Ширина венца рабочего колеса второй ступени:
Осевой зазор между сопловым аппаратом и рабочим колесом обычно определяется из соотношения:
Осевой зазор между сопловым аппаратом и рабочим колесом первой ступени:
Осевой зазор между рабочим колесом первой ступени и сопловым аппаратом второй ступени:
Осевой зазор между сопловым аппаратом и рабочим колесом второй ступени:
Радиальный зазор между торцами перьев лопаток и корпусом обычно принимается в диапазоне 08 15 мм. В нашем случае принимаем:
Газодинамический расчет турбины ВД.
1. Распределение теплоперепада по ступеням.
Термодинамические параметры рабочего тела на входе и
Найдем среднее значение теплоперепада на ступень
Теплоперепад последней ступени принимают равным:
Определим степень реактивности (для второй ступени)
Определим параметры термодинамического состояния газа на входе во вторую ступень
Вычислим величину изоэнтропической работы в ступени при расширении газа до давления .
Определим параметры термодинамического состояния газа на выходе из ступени при условии изоэнтропического расширения от давления до :
Вычислим степень понижения газа в ступени:
Определим полное давление на входе в ступень:
Угол выхода потока из РК принимаем .
Газодинамические функции на выходе из ступени
Статическое давление за ступенью
Термодинамические параметры потока на выходе из ступени при условии изоэнтропического расширения от давления до
Величина изоэнтропической работы в ступени при расширении газа от давления до
2. Расчёт ступени по среднему диаметру
Параметры потока за сопловым аппаратом
Определим изоэнтропическую скорость истечения газа из СА:
Определим приведенную изоэнтропическую скорость потока на выходе из СА:
Коэффициент скорости СА принимаем:
Газодинамические функции потока на выходе из СА:
Определим по таблице коэффициент восстановления полного давления:
Угол выхода потока из сопловых лопаток:
Угол отклонения потока в косом срезе СА:
Эффективный угол на выходе из сопловой решетки
Угол установки профиля в решетке находим по графику в зависимости от .
Хорда профиля лопатки СА
Значение оптимального относительного шага определяется по графику в зависимости от и :
Оптимальный шаг решетки СА в первом приближении
Оптимальное число лопаток СА
Окончательное значение оптимального шага лопаток СА
Величина горла канала СА
Параметры термодинамического состояния газа на выходе из СА при условии изоэнтропического расширения в сопловой решетке
Статическое давление в зазоре между СА и РК
Действительная скорость газа на выходе из СА
Термодинамические параметры потока на выходе из СА
Плотность газа на выходе из СА
Осевая и окружная составляющие абсолютной скорости потока на выходе из СА
Окружная составляющая относительной скорости потока на входе в РК
Угол входа потока в РК в относительном движении
Относительная скорость потока на входе в РК
Термодинамические параметры газа на входе в РК
Приведенная скорость потока в относительном движении
Полное давление в относительном движении воздуха
Параметры потока на выходе из РК
Термодинамические параметры потока
Изоэнтропическая скорость потока в относительном движении
Приведенная изоэнтропическая скорость потока в относительном движении:
Принимаем т.к. относительное движение – энергоизолированное движение.
С помощью графика определяем коэффициент восстановления полного давления:
Угол выхода потока из РК в относительном движении (15º245º)
Определим по таблице угол отклонения потока в косом срезе рабочих лопаток:
Эффективный угол на выходе из РК
Определим по таблице угол установки профиля в рабочей лопатке:
Хорда профиля лопатки РК
Значение оптимального относительного шага решетки РК определяем по таблицам:
Относительный шаг решетки РК в первом приближении
Оптимальное число лопаток РК
Окончательное значение оптимального шага лопаток РК
Величина горла канала рабочих лопаток
Относительная скорость на выходе из РК
Энтальпия и температура газа на выходе из РК
Плотность газа на выходе из РК
Осевая и окружная составляющие относительной скорости на выходе из РК
Окружная составляющая абсолютной скорости потока за РК
Абсолютная скорость газа за РК
Угол выхода потока из РК в абсолютном движении
Полная энтальпия газа за РК
3. Расчет эффективной работы ступени с учетом потерь на трение диска и в радиальном зазоре
Чтобы определить эффективную работу ступени необходимо учесть потери энергии связанные с утечками рабочего тела в радиальный зазор и трением диска ступени о газ. Для этого определяем:
Удельная работа газа на лопатках РК
Потери на утечку которые зависят от конструктивных особенностей ступени.
В конструкциях современных турбин ГТД для снижения утечек обычно на рабочих колесах применяются бандажи с лабиринтными уплотнениями. Утечки через такие уплотнения вычисляются по формуле:
Принимаем коэффициент расхода лабиринтного уплотнения:
Площадь зазора определяется из выражения:
Для определения давления сначала находятся изоэнтропическая приведенная скорость потока на выходе в РК на периферийном диаметре и соответствующая газодинамическая функция:
Давление на периферии .
Отношение давлений на уплотнении
Принимаем число гребешков:
Потери энергии на трение диска ступени о газ
где D1вт берется по чертежу проточной части
Суммарная потеря энергии на утечки и трение диска
Полная энтальпия газа на выходе из РК с учетом потерь на утечки и трение диска
Энтальпия газа по статическим параметрам на выходе из РК с учетом потерь на утечки и трение диска
Полное давление газа на выходе из РК с учетом потерь на утечки и трение диска
Действительная эффективная работа ступени
Действительный к.п.д. ступени
Отличие действительной эффективной работы от заданной
что составляет 078%.
4. Расчет параметров потока на различных радиусах
При значениях Dсрhл 12 по высоте лопатки возникает переменность параметров потока определяемая влиянием центробежных сил и изменением окружной скорости. В этом случае для снижения потерь энергии лопатки необходимо выполнять закрученными. Применение закона закрутки dαdr = 0 позволяет повысить технологическое качество лопаток. Применение закона α1=const позволяет выполнять сопловые венцы с α1л=const а закон α2=const позволяет улучшить технологичность лопаток соплового венца последующей ступени.
Определение параметров для втулочного сечения лопатки
Относительный диаметр втулки
Угол выхода потока в абсолютном движении
Коэффициент скорости
Абсолютная скорость потока на выходе из СА
Окружная составляющая абсолютной скорости
Осевая составляющая абсолютной скорости
Изоэнтропическая скорость истечения газа из СА
Термодинамические параметры на выходе из СА
Статическое давление
Окружная скорость во втулочном сечении на входе в РК
Окружная составляющая относительной скорости на входе в РК
Относительная скорость у втулки
Термодинамические параметры на входе в РК в относительном движении
Полное давление на входе в РК в относительном движении
Приведенная относительная скорость на входе в РК
Параметры в периферийном сечении
Относит. диаметр периферийного сечения
Угол выхода потока из СА в абсолютном движении
Абсолютная скорость на выходе из СА
Окружная и осевая составляющие абсолютной скорости
Окружная скорость вращения колеса на периферии
Относительная скорость потока на периферии
Термодинамические параметры потока в относительном движении на входе в РК
Приведенная относительная скорость на входе в РК
Расчет параметров потока на выходе из РК
Угол потока в абсолютном движении
Окружная скорость во втулочном сечении на выходе из РК
Статическое давление на выходе из РК
Термодинамические параметры в РК
Изоэнтропическая скорость потока на выходе из РК
Приведенная изоэнтропическая скорость
Скорость потока за РК в относительном движении.
коэффициент скорости .
Термодинамические параметры потока на выходе из РК
Плотность газа за рабочим венцом
Угол выхода потока в относительном движении
Окружная и осевая составляющие относительной скорости потока
Абсолютная скорость на выходе из рабочего венца
Полная энтальпия и температура потока на выходе из РК
Газодинамические функции на выходе из РК
Полное давление потока в абсолютном движении на выходе из РК
Расчет параметров в периферийном сечении на выходе из РК
Относительный диаметр периферийного сечения
Окружная скорость в периферийном сечении на выходе из РК
Термодинамические параметры при изоэнтропическом расширении в РК
Скорость потока за РК в относительном движении
Коэффициент скорости ;
Абсолютная скорость выхода из РК
Газодинамические функции на выходе из РК
По проведенным расчетам строим треугольники скоростей (приложение Б).
Профилирование лопатки рабочего колеса.
Таблица 1- Исходные данные для профилирования лопаток РК
Исходный параметр и расчетная формула
D (по чертежу проточной части ступени)
Таблица 2 - Рассчитанные величины для профилирования лопаток РК
В курсовой работе была рассчитана и построена проточная часть турбины высокого давления произведен кинематический расчет второй ступени турбины высокого давления на среднем диаметре расчет эффективной работы с учетом потерь на трение диска и в радиальном зазоре расчет параметров по высоте лопатки при законе закрутки α=const с построением треугольников скоростей. Было выполнено профилирование лопатки рабочего колеса в трех сечениях.
Список использованных источников
Термогазодинамическое проектирование осевых турбин авиационных ГТД с помощью – Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара 2000. 92. с.
Мамаев Б.И. Мусаткин Н.Ф. Аронов Б.М. Газодинамическое проектирование осевых турбин авиационных ГТД: Учебное пособие. – Куйбышев: КуАИ 1984 70 с.
Проектный расчет основных параметров турбокомпрессоров авиационных ГТД: Учеб. пособие В.С. Кузьмичев А.А. Трофимов; КуАИ. Куйбышев 1990. 72 с.
Термогазодинамический расчет газотурбинных силовых установок. Дорофеев В.М. Маслов В.Г. Первышин Н.В. Сватенко С.А. Фишбейн Б.Д.. М. «Машиностроение» 1973 144 с..

Профили.cdw

Профиль лопатки в сечении по среднему диаметру.
Профиль лопатки в сечении по периферийному диаметру
Профиль лопатки в сечении по втулочному диаметру