Термогазодинамический расчет компрессора и турбины двигателя ГТЭ-10/95

1. Титульный лист.doc

Уфимский государственный авиационный технический университет
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
(обозначение документа)

Компрессор.cdw

Вторая ступень (1:5)
Третья ступень (1:5)
Четвертая ступень (1:5)

Табличка К.cdw

Турбина.cdw

Табличка Т.cdw

Проточная часть.cdw

2. Пояснительная записка.docx

В данном курсовом проекте выполнен термогазодинамический расчет компрессора и турбины.
Курсовой проект состоит из следующих разделов:
- согласование компрессора и турбины;
- газодинамический расчет компрессора по среднему диаметру;
- газодинамический расчет первой ступени компрессора по высоте пера лопатки;
- профилирование рабочей лопатки первой ступени компрессора;
- газодинамический расчет турбины по среднему диаметру;
- газодинамический расчет ступени турбины по высоте пера лопатки;
- профилирование рабочей лопатки турбины.
Анализ задания и формирование исходных данных для расчета2
Выбор и согласование одновального газогенератора ТВаД2
1Предварительный расчет параметров компрессора и турбины2
Детальный расчет компрессора газогенератора ТВаД15
1Распределение основных параметров по ступеням компрессора15
2Выбор параметров первой ступени компрессора на среднем диаметре19
3Расчет проходных сечений компрессора22
4Расчет ступеней компрессора по среднему диаметру28
Расчет параметров потока по радиусу ступени компрессора37
Детальный расчет турбины одновального газогенератора ТВаД49
1Эскиз проточной части турбины49
2Поступенчатый расчет турбины по среднему диаметру50
3Определение шага и числа лопаток в рабочих решетках турбины57
4Определение шага и числа лопаток в сопловых решетках турбины52
Расчет параметров потока по радиусу ступени турбины61
Профилирование лопаток62
1 Профилирование лопаток турбины69
2 Профилирование лопаток компрессора70
Анализ задания и формирование исходных данных для расчета
Исходные данные для расчета формируются на базе курсового проекта «Теория расчет и проектирование АД и ЭУ»:
а)Высота полета H = 0;
б)Полетное число Маха МП = 0;
д)Расход воздуха на входе в компрессор ;
е)Степень повышения давления в КНД
ж)Степень повышения давления компрессорa
з)Температура газа перед турбиной
Выбор и согласование параметров каскада высокого давления газогенератора ТВаД
1Предварительный расчет параметров компрессора и турбины газогенератора
Температура на входе в компрессор
Давление на входе в компрессор
Работа затрачиваемая на привод компрессора
Потребная внутренняя удельная работа турбины газогенератора
где - коэффициент учитывающий отбор воздуха на охлаждение массу впрыскиваемого топлива и механические потери ротора газогенератора .
Окружная скорость на среднем диаметре турбины
- условная адиабатическая скорость
- КПД турбины зависящий от КПД ступеней входящих в турбину
– характеристика Парсона принимаем
z – число ступеней турбины газогенератора предварительно принимаем z = 1.
Температура газа за турбиной
Температура в корневом сечении неохлаждаемых лопаток турбины
Температура лопатки с учетом охлаждения
- температура охлаждаемого воздуха принимая в первом приближении равной температуре воздуха за компрессором
- безразмерная температура характеризующая эффективность охлаждения при внутренней конвективной системе.
Запас прочности рабочих лопаток турбины
Принимаем время работы двигателя на расчетном режиме .
По температуре и выбранному ресурсу определяется материал лопаток и предел длительной прочности этого материала.
Параметр Ларсона-Миллера:
P = (t+273)(lgч + 20) = 93289(lg125000 + 20) = 235 ·103 .
Принимаем материал ЭИ698ВД предел длительной прочности . [5]
Допустимые напряжения растяжения в корневом сечении рабочих лопаток турбины
Определение относительной высоты рабочих лопаток
где Ф=05 07 - коэффициент формы лопаток учитывающий степень утонения лопаток турбины от корня к периферии принимаем Ф=0545;
- плотность материала турбинных лопаток принимаем .
Приведенная скорость и угол на выходе из турбины газогенератора
Отношение полных давлений в турбине
Площадь кольцевого сечения канала на выходе из турбины
- расход газа на выходе из турбины;
- коэффициент учитывающий массу впрыскиваемого топлива и расход воздуха на охлаждение принимаем ;
- полное давление за турбиной;
- полное давление перед турбиной;
- коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания.
Высота лопатки на выходе из турбины
Средний диаметр турбины на выходе
Наружный диаметр турбины
Внутренний диаметр турбины
Относительный диаметр втулки на выходе из турбины
Площадь кольцевого сечения канала на входе в турбину
В первом приближении принимаем принимаем
Выбор формы проточной части турбины
Принимаем форму проточной части тогда
Частота вращения ротора газогенератора
Приведенная скорость на выходе из компрессора газогенератора
Температура давление воздуха и критическая скорость на выходе из компрессора газогенератора
Скорость на выходе из компрессора
Площадь кольцевого сечения канала на выходе из компрессора
– коэффициент учитывающий неравномерность поля скоростей по высоте проточной части и наличие пограничного слоя у наружной и внутренней стенок корпуса. Принимаем .
Отношение кольцевых площадей входа и выхода компрессора газогенератора
здесь показатель политропы сжатия в компрессоре
Площадь кольцевого сечения канала на входе в компрессор
Относительный диаметр втулки последней ступени компрессора
В ТРД обычно принимается Принимаем
Средний диаметр на выходе из компрессора
Выбор формы проточной части компрессора
Выбираем форму проточной части с
Относительный диаметр втулки для первой ступени компрессора газогенератора
Диаметры на входе в компрессор газогенератора
Высота лопатки последней ступени компрессора
Окружная скорость на внешнем диаметре первой ступени компрессора газогенератора
Средний диаметр компрессора газогенератора
Средний диаметр турбины газогенератора
Число ступеней компрессора газогенератора
где – число ступеней газогенератора;
– параметр согласования компрессора и турбины газогенератора определяющий соотношение конструктивных и геометрических параметров газогенератора.
Округляем до ближайшего целого числа = 5.
Детальный расчет компрессора газогенератора ТВаД
1 Распределение основных параметров по ступеням компрессора
В результате выполненного согласования и предварительного расчета компрессора и турбины газогенератора получены основные исходные параметры необходимые для дальнейшего детального расчета компрессора.
Остальные параметры выбираются следующим образом.
)Распределение коэффициента затраченной работы по ступеням компрессора газогенератора.
Рисунок 1 - Распределение коэффициента затраченной работы по ступеням компрессора газогенератора
)Окружные скорости на периферии промежуточных ступеней (для второй ступени)
)Затраченная работа в ступенях компрессора (цифры приводятся для первой ступени)
)Температура заторможенного потока на выходе из спрямляющего аппарата (цифры приводятся для первой ступени)
Выбранные значения температуры за ступенями приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 - Распределение температуры за ступенями компрессора
)Распределение КПД по ступеням компрессора газогенератора
Коэффициенты полезного действия ступеней входящих в компрессор выбираются согласно рекомендациям ([1]). Окончательные величины устанавливаются в процессе расчета степени повышения давления в каждой ступени.
Выбранные значения ступеней приведены на рисунке 3.
Рисунок 3 - Распределение по ступеням компрессора газогенератора
Выбранные значения КПД ступеней приведены на рисунке 4.
Рисунок 4 - Распределение КПД по ступеням компрессора газогенератора
)Полное давление на входе в i-ю ступень
)Работа на лопатках в ступенях компрессора
где - коэффициент учитывающий потери затрачиваемой работы в связи с наличием радиального зазора неравномерности потока по шагу и радиусу и трения воздуха о стенки проточной части и диски рабочих колес.
Результаты по пп. 1 – 7 сведены в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 - Распределение основных параметров по ступеням компрессора
2 Выбор некоторых параметров первой ступени компрессора на среднем диаметре
Окружная скорость на среднем диаметре
Коэффициент напора первой ступени на среднем диаметре
Степень реактивности первой ступени
Коэффициент производительности компрессора газогенератора
Приведенная осевая скорость на входе в компрессор
Критическая скорость на входе в первую ступень:
Осевая скорость на входе в колесо первой ступени компрессора:
Коэффициент расхода на среднем диаметре первой ступени
Угол на входе в рабочее колесо первой ступени
Приведенная скорость на входе в первую ступень
По таблицам ГДФ определяем 08594.
Полученные значения угла приведенной скорости определяющие расход воздуха через первую ступень компрессора найдены с учётом выбранных величин . Необходимо проверить будут ли обеспечивать выбранные величины заданный расход воздуха через компрессор. Для этого определяем газодинамическую функцию расхода
По таблицам ГДФ определяем 0659.
Полученное должно равняться значению найденному в п.8.
Число Маха по относительной скорости на входе в рабочее колесо первой ступени на среднем диаметре
По таблицам ГДФ находим
3Расчет проходных сечений компрессора
Распределение осевых скоростей по ступеням компрессора
Величины скорости потока на входе в первую ступень и на выходе из компрессора выбраны и соответственно равны
Численные значения распределенных осевых скоростей по ступеням компрессора приведены в таблице 2.2.
Продолжение таблицы 2.2
Распределение степени реактивности по ступеням компрессора.
Используя выше полученные параметры дальнейший расчет производится в следующей последовательности:
а)критическая скорость на входе в рабочее колесо i-ой ступени
б)приведенная осевая скорость на входе в рабочее колесо
в)площадь на входе в i-ю ступень в первом приближении определяется при т.е. при
г)относительный диаметр втулки колеса
д)окружная скорость на среднем диаметре рабочего колеса ступени
е)коэффициент напора на среднем диаметре ступеней
ж)коэффициент расхода на среднем диаметре ступеней
з)окружная составляющая абсолютной скорости на среднем диаметре
и)абсолютная приведенная скорость и приведенный расход на входе в колесо
по таблицам ГДФ находим;
к)угол входа в i-ю ступень по абсолютной скорости (он же является углом выхода потока из спрямляющего аппарата предыдущей ступени)
л)Площадь сечения на входе в i-ю ступень
Здесь и берутся из таблицы 2.2.
Расчеты повторяются с п. 3г до п. 3к а результаты расчета сводятся в таблицу 2.3.
м)наружный диаметр на входе в колесо i-й ступени
н)высота лопаток рабочих колёс по ступеням компрессора
Схема меридионального сечения проточной части компрессора
При вычерчивании схемы проточной части компрессора используется известные из расчета величины: ; число ступеней z = 5; и . Кроме того используются рекомендации ([1]).
В качестве примера приведем расчет основных геометрических размеров для первой ступени компрессора газогенератора.
а)отношение высоты рабочей лопатки на входе к ширине у втулки
– для первой ступени.
Принимаем - для первой ступени - для последующих ступеней.
б)ширина рабочих лопаточных венцов у втулки
в)ширина лопаточных венцов спрямляющих аппаратов
г)осевые зазоры между венцами рабочих колес и спрямляющих аппаратов
д)длина проточной части компрессора газогенератора в первом приближении определяется по формуле:
Аналогичный расчет проводиться для остальных ступеней компрессора газогенератора результаты вносятся в таблицу 2.3.
Продолжение таблицы 2.3
4Расчет ступеней компрессора по среднему диаметру
В пределах каждой . Поэтому средний диаметр в колесе i- й ступени:
Ниже приводится порядок детального расчета ступеней компрессора позволяющий определить составляющие треугольников скоростей густоты решеток размеры хорды профилей лопаток на среднем диаметре а также число лопаток. Для примера цифры приводятся только для первой ступени компрессора.
Угол потока воздуха на входе в рабочее колесо в относительном движении
Относительная скорость воздуха на входе в колесо
Скорость звука на входе в ступень
Числа Маха по относительной скорости на входе в рабочее колесо
Густота решётки рабочего колеса на среднем диаметре
Определяем безразмерные величины
Определяем густоту решеток
Число лопаток рабочих колёc
Принимаем удлинение лопаток первой ступени исходя из рекомендаций ([1] стр.38) равным
Тогда число лопаток рабочих колес определяется
Длина хорды рабочих лопаток
Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса
Осевая скорость на выходе из колеса
Абсолютная и приведенная скорости на выходе из колеса
Местная скорость звука на выходе из рабочего колеса
Число Маха по абсолютной скорости на входе в спрямляющий аппарат
Угол выхода из рабочего колеса в абсолютном движении
Полное давление потока воздуха на выходе из колеса
Величина коэффициента восстановления полного давления в спрямляющем аппарате .
Площадь кольцевого сечения на выходе из рабочего колеса
Относительный диаметр втулки за рабочим колесом
Наружный диаметр за рабочим колесом
Высота лопатки на выходе из рабочего колеса
Относительная скорость воздуха на выходе из колеса
Угол выхода потока из рабочего колеса
Угол поворота потока в рабочем колесе
Угол выхода потока из спрямляющего аппарата
Угол поворота потока в спрямляющем аппарате
Номинальный угол поворота потока при
Густота решётки спрямляющего аппарата
Число лопаток спрямляющих аппаратов
Принимаем удлинение лопаток направляющего аппарата первой ступени равным
Тогда число лопаток направляющего аппарата первой ступени
Длина хорды лопаток спрямляющего аппарата
Результаты детального расчета ступеней компрессора приведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Детальный расчет ступеней компрессора
Продолжение таблицы 2.4
Расчет параметров потока по радиусу ступени компрессора
Согласно рекомендациям ([2] стр.194 [1] стр.91) принимаем для первой ступени профилирование по закону с постоянной по радиусу ктнематической степени реактивности (. Расчет проводится в 3 – х сечениях: корневом среднем и концевом.
Расчет проводим только для первой ступени.
За основу расчета принимаются величины полученные при расчете ступени по среднему диаметру предполагая что течение воздуха в пределах ступени происходит по цилиндрическим поверхностям тока.
Расчетные сечения в корневой и концевой частях выбираем на расстоянии (2 4) мм соответственно от втулки и наружного радиуса лопатки на выходе из решетки. Радиус совпадает со средним радиусом ступени.
Определение расчетных сечений
Периферийное сечение
Определение осевых составляющих абсолютной скорости потока воздуха на входе и выходе из рабочего колеса по радиусу
Так как выбран закон профилирования то
Определение окружных составляющих абсолютной скорости потока воздуха на входе и выходе из рабочего колеса
Окружная составляющая абсолютной скорости для закона определяется по следующей формулам
В силу того что дальнейший расчет всех сечений аналогичен численные значения приведены только для корневого сечения. Результаты расчета остальных сечений приведены в таблице 3.1.
Абсолютная скорость воздуха на входе в колесо
Абсолютная скорость воздуха на выходе из колеса
Приведенная скорость потока на входе в колесо
Приведенная скорость потока на выходе из колеса
Скорость звука на входе в колесо
Скорость звука на выходе из колеса
Окружная скорость колеса на входе в решётку на расчётном радиусе
Окружная скорость колеса на выходе из решётки на расчётном радиусе
Угол входа потока в решётку рабочих лопаток в относительном движении
Угол выхода потока из решётки рабочих лопаток в относительном движении
Угол отклонения потока в решётке рабочего колеса
Относительная скорость потока на входе в рабочие лопатки
Относительная скорость потока на выходе из решёток рабочих лопаток
Угол потока на входе в рабочее колесо в абсолютном движении
Угол потока на выходе из рабочего колеса в абсолютном движении
Число Маха по относительной скорости воздуха на входе в рабочее колесо
Число Маха по абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса
Степень реактивности
Относительная закрутка потока на входе в рабочее колесо
Определим безразмерные величины
Входной геометрический угол профиля лопатки
Коэффициент геометрии профиля
Угол кривизны (изгиба) профиля
Угол отставания потока на выходе из решётки
Выходной геометрический угол профиля
Угол изгиба входной кромки
Угол изгиба выходной кромки
Угол выноса (установки) профиля
Длина средней линии профиля (межлопаточного канала)
Угол раскрытия эквивалентного плоского диффузора
Результаты расчета остальных сечений приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Расчет параметров потока по радиусу ступени компрессора
Продолжение таблицы 3.1
Детальный расчет турбины одновального газогенератора ТРДД
1Эскиз проточной части турбины
В результате выполненных предварительных расчетов были получены геометрические размеры турбины за рабочими лопатками последней ступени и на входе в сопловой аппарат первой ступени. При выбранном числе ступеней эти размеры являются базовыми для эскиза проточной части.
На основе статистических данных выбираем дополнительные геометрические соотношения.
Ширина охлаждаемых рабочих решеток
Ширина лопаток сопловых аппаратов
Осевой зазор между венцами
Длина проточной части турбины
2Поступенчатый расчет турбины по среднему диаметру
Необходимость введения охлаждения в высокотемпературных турбинах приводит к появлению дополнительных потерь от охлаждения что влияет на рабочий процесс турбины и двигателя в целом.
Дальнейший детальный расчет турбины будет проводится с учетом особенностей связанных с охлаждением. Будет произведен отбор воздуха из-за компрессора а также учет влияния охлаждения на скоростные коэффициенты сопловых и рабочих лопаток некоторые геометрические соотношения и КПД турбины.
Последовательность расчета охлаждаемой ступени турбины приводится ниже.
Расход газа на входе в турбину
Средний диаметр на входе в турбину определяется по эскизу меридионального сечения проточной части турбины
Высота лопаток на выходе из соплового аппарата и на выходе из рабочего колеса определяется по рисунку меридионального сечения проточной части турбины
Окружная скорость на среднем диаметре на входе в ступень
Давление адиабатно–заторможенного потока на входе в турбину (предварительный расчет)
Температура торможения газа на входе в турбину (см. исходные данные)
Адиабатный тепловой перепад
Условная скорость при адиабатном расширении газа соответствующая адиабатному тепловому перепаду ступени
Приведенная скорость
Статическое давление за первой ступенью
В первых высокотемпературных ступенях учитывая их относительно небольшие высоты лопаток желательно принять малые степени реактивности Принимаем
Адиабатная работа расширения в соплах
Адиабатная работа расширения в рабочем колесе
Скоростной коэффициент соплового аппарата выбирается с учетом рекомендаций ([1] стр. 47)
Теоретическая скорость на выходе из соплового аппарата
Действительная скорость на выходе из соплового аппарата
Температура газа за сопловым аппаратом
Приведенная теоретическая скорость на выходе из сопла
Статическое давление за сопловым аппаратом
Плотность газа за сопловым аппаратом
Угол выхода из сопла
Проверка реактивности в корневом сечении ступени:
Скорость потока газа на входе в рабочее колесо первой ступени в относительном движении
Угол входа потока на рабочую решетку в относительном движении
Скоростной коэффициент рабочей решетки зависит от суммы углов на входе и выходе из решетки и выбирается в соответствии с рекомендациями ([1] стр.47)
Скорость газа на выходе из рабочей решетки в относительном движении
Температура торможения потока в относительном движении на входе в решетку рабочего колеса турбины
Приведенная относительная скорость на выходе из ступени
Полное давление в относительном движении на выходе из турбины
Угол выхода потока из рабочей решетки в относительном движении
Абсолютная скорость потока за рабочим колесом первой ступени
Угол абсолютной скорости потока за рабочим колесом
Приведенная скорость на выходе из первой ступени
В предварительном расчёте были выбраны угол и приведенная скорость на выходе из турбины По результатам детального расчёта получено и Такое расхождение параметров можно принять.
Полное давление на выходе из турбины
3Определение шага и числа лопаток в рабочих решетках турбины
Угол поворота потока в рабочей решётке (в радианах):
Относительный оптимальный шаг решётки при нулевой толщине выходной кромки:
Поправочный коэффициент учитывающий влияние режима работы ступени:
Поправочный коэффициент учитывающий толщину выходной кромки:
Угол установки профиля
Число лопаток в решётке рабочего колеса:
4Определение шага и числа лопаток в сопловых решетках турбины
Относительный оптимальный шаг решётки при нулевой толщине выходной кромки
Расчет параметров потока по радиусу ступени турбины
Согласно рекомендациям ([1] стр.103) принимаем для первой ступени профилирование по закону постоянной по радиусу циркуляции (. Расчет проводится в 3–х сечениях: корневом среднем и концевом.
Радиус переходной галтели (закругления) для корневого и концевого сечения лопаток:
Расчетные сечения в корневых и периферийных частях
Радиус среднего сечения первой ступени
Относительные радиусы расчетных сечений
В силу того что дальнейший расчет всех сечений аналогичен численные значения приведены только для корневого сечения. Результаты расчета остальных сечений приведены в таблице 5.1.
Порядок расчета следующий.
Осевая составляющая абсолютной скорости потока газа на входе в рабочее колесо
Осевая составляющая абсолютной скорости газа на выходе из рабочего колеса
Окружная составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо ступени
Окружные составляющие абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса ступени
Абсолютная скорость газа на входе в колесо
Абсолютная скорость газа на выходе из колеса
Приведенная скорость на входе в колесо
Приведенная скорость потока на выходе из колес
Окружная скорость колеса на входе
Окружная скорость колеса на выходе
Угол входа потока в решетку рабочих лопаток в относительном движении
Угол поворота потока в решетке рабочего колеса
Относительная скорость потока на входе в рабочую решетку
Относительная скорость потока на выходе из рабочей решетки
Угол потока на входе в рабочую решетку в абсолютном движении
Угол потока на выходе из рабочей решетки в абсолютном движении
Температура торможения в относительном движении
Приведенная скорость в относительном движении на входе в колесо
Приведенная скорость в относительном движении на выходе из колеса
Статическое давление на входе в колесо
Статическое давление на выходе из колеса
Результаты расчета остальных сечений приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Результаты расчета параметров потока по радиусу ступени турбины
Продолжение таблицы 5.1
Профилирование лопаток
1 Профилирование лопаток турбины
Для профилирования лопаток турбины необходимо определить основные геометрические параметры профилей решетки. Расчет по определению этих параметров аналогичен расчету приведенному в пункте 4.3. Проведя расчет согласно этому пункту по формулам результаты занесем в таблицу 6.1
Таблица 6.1 – результаты определения основных геометрических параметров профилей турбины
2 Профилирование лопаток компрессора
Профилирование лопаток первой ступени КВД произведём методом расчёта координат профилей. В таблице 6.1 представлены все необходимые для профилирования параметры решётки которые мы нашли уже ранее.
Таблица 6.2 – Основные параметры компрессорной решётки
Координаты профилей вычисляются в прямоугольной системе координат x – y. Ось x направлена по хорде профиля от передней к задней кромке а ось y исходит из начала средней линии и направлена в сторону выпуклой поверхности.
) Выбор базового профиля. Выбор производится согласно рекомендациям [2 стр 181]. Относительные координаты профиля занесены в таблицу 6.2.
) Расчёт координат средней линии профиля производится по формуле:
где - относительная координата базового профиля.
) Абсолютное значение координаты симметричного профиля вычисляется по соотношению:
) Координаты верхнего и нижнего контуров изогнутого профиля вычисляются по выражениям:
) Значение координат х:
Проведен термогазодинамический расчет компрессора и турбины высокого давления двигателя ГТЭ 1095. 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.
Емин О. Н. Карасев В. Н. Ржавин Ю. А. Выбор параметров и газодинамический расчет осевых компрессоров и турбин авиационных ГТД: Учебное пособие. М.: Дипак 2003. 156 с.
Холщевников К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учебное пособие. М.: Машиностроение 1970. 610 с.
Ржавин Ю. А. Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. М.: Издательство МАИ 1995. 342 с.
Белоусов А.Н. Мусаткин Н.Ф. и др. Проектный термогазодинамический расчет основных параметров авиационных лопаточных машин. СГАУ Самара 2006 с316.
Харитонов В.Ф. Материалы деталей авиационных газотурбинных двигателей: Методические указания к курсовому и дипломну проектированию. УГАТУ. – Уфа 2004.-38с.