Термогазодинамический расчет параметров двигателя АЛ-31



В данном курсовом проекте выполнен термогазодинамический расчет компрессора  и турбины высокого давления  турбореактивного двухконтурного двигателя  с форсажной камерой сгорания АЛ-31СТН.

Курсовой проект состоит  из следующих разделов:

- согласование  КВД и  ТВД;

- газодинамический расчет  КВД по среднему диаметру;

- газодинамический расчет  первой ступени КВД по высоте  пера лопатки;

- профилирование рабочей  лопатки первой ступени КВД;

- газодинамический расчет  ТВД по среднему диаметру;

- газодинамический расчет  ступени ТВД по высоте пера  лопатки;

- профилирование рабочей  лопатки ТВД.

 

Содержание

 

Анализ задания и формирование исходных данных для расчета 3

1 Выбор и согласование одновального газогенератора ТРДД 4

1.1 Предварительный расчет параметров компрессора и турбины 4

2 Детальный расчет компрессора газогенератора ТРДД 14

2.1 Распределение основных параметров по ступеням компрессора 14

2.2 Выбор параметров первой ступени компрессора на среднем диаметре 18

2.3 Расчет проходных сечений компрессора 21

2.4 Расчет ступеней компрессора по среднему диаметру 27

3 Расчет параметров потока по радиусу ступени компрессора 37

4 Детальный расчет турбины одновального газогенератора ТРДД 48

4.1 Эскиз проточной части турбины 48

4.2 Поступенчатый расчет турбины по среднему диаметру 49

4.3 Определение шага и числа лопаток в рабочих решетках турбины 56

4.4 Определение шага и числа лопаток в сопловых решетках турбины 58

5 Расчет параметров потока по радиусу  ступени турбины 60

6 Профилирование охлаждаемых лопаток осевых газовых турбин 69

7 Выводы 70

8 Список литературы 71

 

 

Анализ задания  и формирование исходных данных для  расчета

 

Исходные данные для  расчета формируются на базе курсового  проекта «Теория, расчет и проектирование АД и ЭУ»:

    1. Высота полета H = 0;
    2. Полетное число Маха МП = 0;
    3. Температура по МСА ;
    4. Давление по МСА ;
    5. Расход воздуха на входе в компрессор низкого давления ;
    6. Степень повышения давления КНД ;
    7. Степень повышения давления КВД ;
    8. Температура газа перед турбиной высокого давления .
      9.  
  1. Выбор и согласование одновального газогенератора ТРДД

 

    1. Предварительный расчет параметров компрессора и  турбины газогенератора

 

      1. Работа, затрачиваемая на привод КНД

Принимаем , тогда

 

 

      1. Температура на входе в компрессор высокого давления (на выходе из вентилятора)

 

 

      1. Давление на входе в компрессор

 

 

где   -   коэффициент   сохранения   полного   давления   во   входном направляющем аппарате;

- коэффициент сохранения полного  давления в переходном канале  между каскадами компрессора;

-  коэффициент восстановления  полного давления во входном  устройстве двигателя, принимаем , так как расчет ведется при стандартных земных условиях.

      1. Работа, затрачиваемая на привод КВД

Принимаем , тогда

 

 

      1. Потребная внутренняя удельная работа турбины газогенератора

 

 

где - коэффициент, учитывающий отбор воздуха на охлаждение , массу впрыскиваемого топлива и механические потери ротора газогенератора .

Принимаем .

      1. Окружная скорость на среднем диаметре турбины

Условная адиабатическая скорость:

 

 

где - КПД турбины, зависящий от КПД ступеней, входящих в турбину.

          Окружная скорость на среднем  диаметре:

 

 

где  – характеристика Парсона, принимаем ;

z – число ступеней турбины газогенератора, предварительно принимаем            z  = 1.

      1. Температура газа за турбиной

 

      1. Температура в корневом сечении неохлаждаемых лопаток турбины

 

 

      1. Температура рабочей лопатки с учетом ее охлаждения

 

где

 

температура охлаждающего воздуха, принимается в первом приближении равной температуре воздуха за компрессором газогенератора

 

 

 – безразмерная температура, для внутренней конвективной системы находиться в диапазоне 0,2…0,25. Принимаем .

      1. Запас прочности рабочих лопаток турбины

 Принимаем 

Принимаем работы двигателя на расчетном режиме .

      1. По температуре и выбранному ресурсу определяется материал лопаток и предел длительной прочности этого материала.

Принимаем материал ЖС32, предел длительной прочности                 .

      1. Допустимые напряжения растяжения в корневом сечении рабочих лопаток турбины

 

 

      1. Определение относительной высоты рабочих лопаток

 

 

где Ф=0,5…0,7 - коэффициент формы лопаток, учитывающий степень утонения лопаток турбины от корня к периферии, принимаем Ф=0,5;

- плотность материала турбинных лопаток, принимаем .

      1. Приведенная скорость и угол на выходе из турбины газогенератора

Принимаем .

      1. Отношение полных давлений в турбине

 

 

      1. Площадь кольцевого сечения канала на выходе из турбины

 

 

где

- расход газа на выходе  из турбины;

- коэффициент, учитывающий массу впрыскиваемого топлива и расход воздуха на охлаждение;

 - полное давление за турбиной;

- полное давление перед турбиной;

  - коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания.

В данном случае :

 

      1. Высота лопатки на выходе из турбины

 

 

      1. Средний диаметр турбины на выходе

 

 

      1. Наружный диаметр турбины

 

 

      1. Внутренний диаметр турбины

 

 

      1. Относительный диаметр втулки на выходе из турбины

 

 

      1. Площадь кольцевого сечения канала на входе в первую ступень турбины

 

 

В первом приближении принимаем 

, принимаем 

      1. Выбор формы проточной части

Принимаем форму проточной  части , тогда

 

 

      1. Частота вращения ротора газогенератора

 

 

      1. Приведенная скорость  на выходе из компрессора газогенератора

, принимаем  .

      1. Температура, давление воздуха и критическая скорость на выходе из компрессора газогенератора

 

 

      1. Скорость на выходе из компрессора 

 

 

      1. 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  .

      1. Отношение кольцевых площадей входа и выхода компрессора газогенератора

 

 

Здесь показатель политропы  сжатия в компрессоре

 

      1. Площадь кольцевого сечения канала на входе в компрессор

 

      1. Относительный диаметр втулки последней ступени компрессора 

Принимаем

      1. Средний диаметр на выходе из компрессора

 

 

      1. Выбор формы проточной части компрессора

Выбираем форму проточной  части с 

      1. Относительный диаметр втулки для первой ступени компрессора газогенератора

 

 

      1. Диаметры на входе в компрессор газогенератора

 

 

      1. Высота лопатки последней ступени компрессора

 

 

      1. Окружная скорость на внешнем диаметре первой ступени компрессора газогенератора

      1. Средний диаметр компрессора газогенератора

 

 

      1. Средний диаметр турбины газогенератора

 

 

      1. 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, =9.

 

  1. Детальный расчет компрессора  одновального газогенератора ТРДД

 

    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.

      1. Распределение работы по ступеням компрессора газогенератора
 


Рисунок 1 -  Распределение работы по ступеням компрессора

газогенератора

      1. 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

газогенератора

 

      1. 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.

 

 

 

 

 

и в то же время должно соблюдаться условие

 

 

 

 

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

      1. Полное давление на входе в i-ю ступень

 

 

 

      1. 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 – 5 сведены в таблицу 2.1.

 

Таблица 2.1 - Распределение основных параметров по ступеням компрессора

Параметры

Ступени

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

33026

34812

36462

38142

38142

38142

38142

35932

33828

 

454

489

525

563

601

639

677

713

746

 

421

454

489

525

563

601

639

677

713

 

0,82

0,84

0,85

0,86

0,87

0,86

0,85

0,84

0,82

 

1,244

1,241

1,238

1,235

1,221

1,203

1,188

1,163

1,143

 

3,95

4,91

6,07

7,50

9,16

11,03

13,09

15,23

17,41

 

1

1

1

1

1

0,99

0,99

0,98

0,98

 

33026

34812

36462

38142

38142

37761

37761

35213

33152


 

    1. Выбор некоторых  параметров первой ступени компрессора  на среднем диаметре

 

      1. Окружная скорость на среднем диаметре

 

 

 

      1. Коэффициент напора первой ступени на среднем диаметре

 

 

 

      1. Степень реактивности первой ступени

 

 

 

      1. Коэффициент производительности компрессора газогенератора

 

, принимаем

 

      1. Приведенная осевая скорость на входе в компрессор

 

, принимаем .

 

Критическая скорость на входе  в первую ступень:

 

 

 

 

 

Осевая скорость на входе  в колесо первой ступени компрессора:

 

 

 

      1. Коэффициент расхода на среднем диаметре первой ступени

 

 

 

      1. Угол на входе в рабочее колесо первой ступени

 

 

 

 

 

      1. Приведенная скорость на входе в первую ступень

 

 

 По таблицам ГДФ  определяем 

 

      1. 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

 

 

 

Полученное  должно равняться значению найденному по формуле (2.13).

 

      1. Число Маха по относительной скорости на входе в рабочее колесо первой ступени на среднем диаметре 

 

 

По таблицам ГДФ находим 

 

 

 

 

 

 

    1. Расчет проходных  сечений компрессора

 

      1. 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.

 

Таблица 2.2 - Распределение осевых скоростей по ступеням компрессора

Параметр

Ступени

За посл.

 ступ.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

221,75

216,25

210,75

205,25

199,75

194,25

188,75

183,25

177,75

174,32

 

0,50

0,50

0,50

0,50

0,50

0,50

0,50

0,50

0,50

  
 

374,25

388,57

403,11

417,80

432,63

446,97

460,86

474,35

486,71

498,04

 

0,59

0,56

0,52

0,49

0,46

0,43

0,41

0,39

0,37

0,35

 

0,8039

0,7690

0,7340

0,6994

0,6654

0,6329

0,6019

0,5722

0,5446

0,5244

 

0,1088

0,0951

0,0835

0,0735

0,0655

0,0591

0,0540

0,0502

0,0474

0,0502

 

0,7898

0,8192

0,8434

0,8636

0,8795

0,8919

0,9018

0,9090

0,9144

0,9091

 

350,55

355,62

359,87

363,48

366,35

368,62

370,44

371,76

372,77

  
 

0,2688

0,2753

0,2815

0,2887

0,2842

0,2779

0,2752

0,2548

0,2386

  
 

0,6326

0,6081

0,5856

0,5647

0,5453

0,5270

0,5095

0,4929

0,4768

  
 

128,17

128,86

129,28

129,27

131,12

133,09

134,25

138,52

141,92

  
 

256,13

251,74

247,24

242,57

238,94

235,47

231,63

229,72

227,46

  
 

0,6844

0,6479

0,6133

0,5806

0,5523

0,5268

0,5026

0,4843

0,4673

  
 

0,8811

0,8525

0,8229

0,7926

0,7647

0,7382

0,7120

0,6914

0,6719

  
 

59,97

59,21

58,47

57,80

56,72

55,58

54,58

52,91

51,40

  

 

      1. Распределение степени реактивности по ступеням компрессора

 

Принимаем вариант с 

 

      1. Используя выше полученные параметры, дальнейший расчет производится в следующей последовательности:
        1. критическая скорость на входе в рабочее колесо i-ой ступени

 

 

 

        1. приведенная осевая скорость на входе в рабочее колесо

 

 

 

        1. площадь на входе в i-ю ступень в первом приближении определяется при , т.е. при

 

 

 

        1. относительный диаметр втулки колеса

 

 

 

 

        1. окружная скорость на среднем диаметре рабочего колеса ступени

 

 

 

        1. коэффициент напора на среднем диаметре ступеней

 

 

 

        1. коэффициент расхода на среднем диаметре ступеней

 

 

 

        1. окружная составляющая абсолютной скорости на среднем диаметре

 

 

 

 

 

 

        1. абсолютная, приведенная скорость и приведенный расход на входе в колесо

 

 

 

 

 

по таблицам ГДФ находим 

 

        1. угол входа в i-ю ступень по абсолютной скорости (он же является углом выхода потока из спрямляющего аппарата предыдущей ступени)

 

 

 

Из расчёта видно, что  угол не совпадает с и основные параметры не совпадают с выбранными ранее. Поэтому делается второе последовательное приближение (с .

 

        1. Площадь сечения на входе в i-ю ступень

 

 

 

 

Здесь и берутся из таблицы 2.2.

Расчеты повторяются с  п. 3г до п. 2к, а результаты расчета сводятся в таблицу 2.3.

 

        1. наружный диаметр на входе в колесо i-й ступени

 

 

 

        1. высота лопаток рабочих колёс по ступеням компрессора