Газодинамическое проектирование турбины высокого давления ТРДД Д-36

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

имени академика  С. П. КОРОЛЕВА

(национальный исследовательский университет)»

 

Кафедра теории двигателей летательных аппаратов

 

 

“ Газодинамическое проектирование турбины высокого давления

 ТРДД Д-36 ”

 

 

 

Выполнил: студент группы 2406

Елисеев И.К.

Проверил: доцент

     Окорочкова  В.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара 2012

 

Реферат

Курсовая работа

Пояснительная записка:  31   с, 3 рисунка, 4 таблицы, 5 источников, 3 приложения.

ТРДД, ВЗЛЕТНЫЙ РЕЖИМ, ТУРБИНА, СТУПЕНЬ, ПРОТОЧНАЯ ЧАСТЬ, ПРОЕКТНЫЙ  РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ, КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, РЕШЕТКА ПРОФИЛЕЙ, ПЕРИФЕРИЙНОЕ СЕЧЕНИЕ,  ПРОФИЛИРОВАНИЕ ЛОПАТКИ, ПЛАН СКОРОСТЕЙ.

Объектом исследования является двухвальный двухконтурный  двигатель

Цель работы - оценка основных геометрических, кинематических,  термодинамических  параметров турбины в целом и  его отдельных степеней.

В процессе работы использованы методические основы поверочного газодинамического  проектирования проточной части  турбины.

В результате работы построены меридиональная форма проточной части турбины, планы скоростей ступени и  форма профилей пера лопатки РК в контрольных сечениях.

Эффективность работы заключается  в расчете основных параметров турбины, газодинамическом расчете турбины  и в профилировании лопатки рабочего колеса.

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Термогазодинамический расчет двухвального турбореактивного двухконтурного двигателя – начальный этап   проектирования рабочего процесса ГТД: по заданным параметрам цикла  определяются удельные параметры С_уд и Р_уд, а также оцениваются тяга и полный расход воздуха G_в.

Проектный расчет проточной  части ТРДД является следующим этапом  проектирования двигателя. На этом этапе определяются основные  конструктивно-геометрические параметры проточной части ТРДД, необходимые для следующего, более детального проектирования компрессора, турбины и камеры сгорания.

В процессе расчета турбокомпрессора согласовываются диаметры и проходные сечения компрессора и турбины, необходимая частота вращения и число ступеней, рассчитывается и строится меридиональное сечение их проточной части.

Конструктивная схема  проточной части ТРДД при учебном  проектировании обычно  задается на основе прототипа или выбирается на основе анализа схем  современных и перспективных двигателей.

В данном проекте рассчитана и построена проточная часть  компрессора двигателя ТРДД Д-36.

 

1  РЕЗУЛЬТАТЫ  ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА  НА ВЗЛЁТНОМ РЕЖИМЕ

Расчёт двигателя на взлётном режиме произведен с помощью  программы «Wincikl».

Двухвальный турбореактивный  двухконтурный двигатель со смешением  потоков и форсажной камерой.

Исходные данные:

Pacчeтныe уcлoвия: 

H=0.0, MAX=0.00, DP=0.000, DT=0.00

Ocнoвныe пapaмeтpы рaбoчeгo пpoцecca:

П(K.CУM)=27.004, П(B)=2.250, M=2.010, T(Г)=1660.00

Расчетные данные:

Bхoднoe уcтpoйcтвo:

P(H)=101.3596, T(H)=288.1600, P(BX)=101.3596, T(BX)=288.6194, F(BX)=0.6594, S(BX)=1.000

Koмпpeccop нapужнoгo контуpa:

П(B)=2.2500, L(B)=93.2691, P(K.2)=228.059, T(K.2)=380.9657, K(B)=0.8100, G(B.2)=106.043

Кoмпpeccop низкoгo дaвлeния:

П(HД)=2.1500, L(HД)=86.383, P(HД)=217.9232, T(HД)=374.1802, K(HД)=0.8200, G(B.1)=52.757

Кoмпpeccop высокого дaвлeния:

П(BД)=12.5600, L(BД)=456.919, P(BД)=2737.1150, T(BД)=826.0825, K(BД)=0.8300

Камера сгорания:

T(Г)=1660.00, Q(T)=0.02536, AЛЬФA=2.668, G(T.4)=4286.982, K(KC)=0.9950, S(KS)=0.9450, P(Г)=2586.574

Туpбинa выcoкoгo дaвлeния:

П(BД)=4.252, L(BД)=523.985, P(BД)=608.262, T(BД)=1209.792, K(BД)=0.8900, G(BД)=48.145, V(OXЛ.BД)=0.9150, A(BД)=0.0129

Туpбинa низкoгo дaвлeния:

П(HД)=2.643, L(HД)=274.520, P(HД)=230.110, T(HD)=977.591, K(HD)=0.9100, G(HD)=52.629, V(OXЛ.HД)=0.9750, A(HД)=0.0510

Камера смешения:

T(CM)=595.09, P(CM)=221.3578, AЛЬФA=9.023, G(CM)=199.991, P(1)=226.658, P(2)=218.937, F(1)=0.4098, F(2)=0.8830

Форсажная камера:

P(ФХ)=214.7171, F(ФХ)=1.6135

Реактивное сопло:

П(C)=2.1184, Л(C)=1.0623, C(C)=472.076, T(C)=488.967, F(C)=0.4705

Выxoдныe пapaмeтpы двигaтeля:

C(УД)=56.7956, P(УД)=0.4756, P(CУM)=75.5277, G(B.CУM)=158.800

 

2  ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

2.1 Расчёт диаметральных размеров турбины высокого давления

Следующий расчёт будем производить по методике [2].

1. Определим величину отношения (величина высота рабочих лопаток на выходе из турбины ВД) по формуле

 где  параметр напряжений, величина которого располагается в пределах .

Теперь задаваясь величиной осевой скорости газа на входе в турбину определяют приведенную скорость Пусть , тогда

; .

Затем определим кольцевую  площадь на входе в СА турбины ВД:

.

2. Определим кольцевую площадь на выходе из турбины.

Зададим отношение  из интервала 1.2…1.9,тогда

,

а значение

; .

Определим величину кольцевой площади на выходе из турбины ВД:

.

3. Теперь по выбранной величине определим высоту рабочей лопатки на выходе из турбины:

.

4. Определим средний диаметр на выходе из турбины:

.

5. Определим периферийный диаметр на выходе из РК:

.

6. Определим втулочный диаметр на выходе из РК:

.

7. Высоту сопловой лопатки на входе в турбину определим, задав , так как у прототипа двигателя F101GE100 форма проточной части определяется законом Такая форма позволяет получить наименьшие осевые габариты турбины и меньшие углы наклона образующих поверхностей, таким образом
8. Определим периферийный диаметр СА на входе в турбину:

.

9. Определим втулочный диаметр СА на входе в турбину:

.

10. Определим частоту вращения ротора турбины ВД:

.

2.2 Построение меридионального сечения проточной части турбины высокого давления

Ширину лопаток СА и РК ступеней находим из соотношения  , где . Выберем .

11. Определим ширину венца СА первой ступени:

.

12. Определим ширину венца РК первой ступени:

.

13. Определим ширину венца СА первой ступени:

.

14. Определим ширину венца РК первой ступени:

.

15. Осевой зазор между СА и РК обычно берется из соотношения:

.

Определим осевой зазор  между СА и РК первой ступени:

.

16. Определим радиальный зазор между торцами перьев лопаток и корпусом, который находится в интервале 0,8…1,5 мм. Примем

По результатам расчётов построим меридиональное сечение проточной части турбины (Приложение А).

 

3 ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

3.1 Распределение теплоперепада между ступенями. Термодинамические параметры рабочего тела на входе и выходе из ступеней

 

Расчет будем вести, используя  методику [2].

17. Сначала найдем среднее значение теплоперепада на одну ступень:

.

Теплоперепад последней  ступени принимают равным:

.

Примем , тогда

18.  Определим по графику рисунка 2, методики [1] величину степени реактивности на среднем диаметре , в зависимости от и отношения
19. Определим параметры термодинамического состояния газа на входе в последнюю ступень:

Величину  определяем по  с помощью термодинамических функций (ТДФ), по величине также с помощью ТДФ находим и .

20. Определим величину изоэнтропической работы в ступени при расширении газа до давления :

, здесь  .

21.   Определим параметры термодинамического состояния газа на выходе из ступени при условии изоэнтропического расширения до давления:

;

.

22. Определим степень расширения газа в ступени, вычисленная по полным давлениям:

.

23. Определим полное давление на входе в степень:

.

24. Выберем величину угла входа в РК. Обычно выбирается из интервала . Примем .
25. Определим газодинамические функции на выходе из ступени:

;

;

26. Определим статическое давление за ступенью:

.

27. Определим термодинамические параметры потока на выходе из ступени при условии изоэнтропического расширения до давления

;

.

28. Определим величину изоэнтропической работы в ступени при расширении газа до давления:

.

3.2 Расчет ступени по среднему диаметру

3.2.1  Параметры потока за сопловым аппаратом

29. Определим изоэнтропическую скорость истечения газа из СА:

.

30. Определим приведенную изоэнтропическую скорость потока на выходе из СА:

.

31. Определим коэффициент скорости СА из диапазона . Примем .
32. Определим газодинамические функции потока на выходе из СА:

;

.

33. В зависимости от величин и определим коэффициент восстановления полного давления с помощью графика на рисунке 3, методики [2], .
34. Определим угол выхода потока из сопловых лопаток

;

35. В зависимости от и находим угол отклонения потока в косом срезе СА с помощью графика на рисунке 4, методики [2], 
36. Определим эффективный угол на выходе из сопловой решетки:

.

37. В зависимости от , находим угол установки профиля в решетке по графику рисунка 5, методики [2],
38. Определим хорду профиля лопатки СА:

.

39. В зависимости от и , определим значение оптимального относительного шага по графику рисунка 6,методики [5], .
40. Определим оптимальный шаг решетки СА в первом приближении:

.

41. Определим оптимальное число лопаток СА:

, принимаем  .

42. Определим окончательное значение оптимального шага лопаток:

.

43. Определим величину горла канала:

.

44. Определим параметры термодинамического состояния газа на выходе из СА при условии изоэнтропического расширения в сопловой решетке:

;

.

45. Определим статическое давление в зазоре между СА и РК:

.

46. Определим скорость газа на выходе из СА:

.

47. Определим термодинамические параметры потока газа на выходе из СА:

;

;

.

48. Определим плотность газа на выходе из СА:

, где 

газовая постоянная.

49. Определим осевую и окружную составляющие скорости потока на выходе из СА:

;

.

50. Определим окружную составляющую относительной скорости на входе в РК:

.

51. Определим угол входа потока в РК в относительном движении:

.

52. Определим относительную скорость потока на входе в РК:

.

53. Рассчитаем термодинамические параметры газа на входе в РК:

;

;

.

54. Определим приведенную скорость потока в относительном движении:

.

55. Определим полное давление в относительном движении потока:

.

3.2.2 Параметры потока на выходе из рабочего колеса

 

56.  Определим термодинамические параметры потока:

.

По термодинамическим  функциям определяются:

;

.

57. Определим изоэнтропическую скорость потока в относительном движении

.

58. Определим приведенную изоэнтропическую скорость потока в относительном движении:

, здесь принимаем  .

59. Определим скорость потока в относительном движении, учитывая, что коэффициент скорости РК выбирается из диапазона:

;

.

60. В зависимости от значений и определим коэффициент восстановления полного давления по графику рисунка 3, методики [2], .
61. Определим угол выхода потока из РК в относительном движении:

.

62. В зависимости от значений и найдем значение угла отклонения в косом срезе рабочих лопаток по графику рисунка 4, методики [2], .
63. Определим эффективный угол на выходе из РК:

.

64. В зависимости от разности углов найдем              установки профиля в рабочей решетке по графику рисунка 5, методики [2], .
65. Определим хорду профиля лопатки РК:

.

66. В зависимости от значений и найдем оптимальный относительный шаг решетки РК по графику рисунка 6, методики [2], .
67. Определим оптимальный шаг решетки РК в первом приближении:

.

68. Определим оптимальное число лопаток РК:

, принимаем  .

69. Определим окончательное значение шага рабочей решетки:

.

70. Определим величину горла канала рабочих лопаток:

.

71. Определим относительную скорость на выходе из РК:

.

72. Определим энтальпию и температуру газа на выходе из РК:

;

.

73. Определим плотность газа на выходе из РК:

.

74. Определим осевую и окружную составляющие относительной скорости:

;

.

75. Определим окружную составляющую абсолютной скорости потока за РК:

.

76. Определим абсолютную скорость газа за РК:

.

77. Определим угол выхода потока из РК в абсолютном движении:

.

78. Определим полную энтальпию газа за РК:

.

3.2.3 Расчет эффективной работы ступени с учетом потерь на трение диска и в радиальном зазоре

 

79. Определим удельную работу газа на лопатках РК:

.

80. Определим потери на утечку. В конструкциях современных турбин ГТД для снижения утечек обычно на рабочих колесах применяются бандажи с лабиринтными уплотнениями. Утечки через такие уплотнения определяются по следующей формуле:

,

где

коэффициент расход лабиринтного уплотнения, значения которого располагаются в  диапазоне 0.6…0.8;

площадь зазора в уплотнении;

давление и плотность на среднем  диаметре на входе в РК;

число гребешков в уплотнении, значения которого располагаются в  диапазоне 2…4;

отношение давлений на уплотнении.

Определим каждое из составляющих:

Для определения давления сначала находятся изоэнтропическая приведенная скорость потока на входе в РК на периферийном диаметре:

;

Найдем давление на периферии:

.

Теперь найдем отношение  давлений на уплотнении:

.

Примем  и , тогда утечки через лабиринтное уплотнение будут равны:

Теперь определим потери на утечки:

.

81. Определим потери энергии на трение диска ступени о газ:

,

где

;

.

Тогда

.

82. Определим суммарную потерю энергии:

.

83. Определим полную энтальпию газа на выходе из РК с учетом потерь на утечки и трение диска:

;

.

84. Определим энтальпию газа по статическим параметрам на выходе из РК с учетом потерь на трение диска и утечки:

;

.

85. Определим полное давление газа на выходе из РК с учетом потерь на утечки и трение диска:

.

86. Определим действительную эффективную работу ступени:

89. Определим действительный КПД ступени:

,

где величина определяется с помощью ТДФ по величине :

;

.

90. Найдем отличие действительной эффективной работы от заданной:

,

Удовлетворяет условию, так как действительная работа отличается от заданной менее чем на 3%,  следовательно, расчет ведется правильно.

 

3.3 Расчет параметров потока на различных радиусах

 

91. Определим относительный диаметр втулки:

.

92. Определим угол выхода потока в абсолютном движении:

.

93. Определим коэффициент скорости:

.

94. Определим абсолютную величину скорости потока на выходе из СА:

.

95. Определим окружную составляющую абсолютной скорости:

.

96. Определим осевую составляющую абсолютной скорости:

.

97. Определим изоэнтропическую скорость истечения газа из СА:

.

98. Определим термодинамические параметры на выходе из СА:

;

;

;

;

.

99. Определим статическое давление:

.

100. Определим плотность газа:

.

101. Определим окружную скорость вращения колеса:

.

102. Определим окружную составляющую относительной скорости на входе в РК:

.

103. Определим угол входа потока в РК в относительном движении:

.

104. Определим относительную скорость у втулки:

.

105. Определим термодинамические параметры на входе в РК в относительном движении:

;

;

.

106. Определим полное давление на входе в РК в относительном движении:

.

107. Определим приведенную относительную скорость на входе в РК:

.

108. Определим относительный  диаметр периферийного сечения:

.

109. Определим угол выхода потока из СА в абсолютном движении:

.

110. Определим коэффициент скорости:

.

111. Определим абсолютную скорость на выходе из СА:

.

112. Определим окружную и осевую составляющие абсолютной скорости:

.

.