книги / Проектный термогазодинамический расчет основных параметров авиационных лопаточных машин
..pdfО |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0.4 |
0,5 |
0.6 |
0,7 |
0.8 |
0,9 |
1,0 |
U |
1,2 i м |
Рис 1 6 Меридиональное сечение проточной части компрессора двухвального ТРДД
ON
R , м
0,4
0,3
0,2
0,1 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
/„ м |
о |
Рис. 1.7. Меридиональное сечение проточной части турбины двухвального ТРДД
2. ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТУРБОКОМПРЕССОРА У РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ГТД
2.1. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЁТА И СОГЛАСОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ ОДНОВАЛЬНОГО ТРД
Необходимые |
данные |
ДЛЯ |
|
Таблица 2 1 |
|||
расчёта проточной части турбо- |
Исходные данные для расчёта |
||||||
компрессора одновального ТРД, |
основных параметров |
||||||
схема которого показана на рис. |
турбокомпрессора одновального ТРД |
||||||
2.1, приводятся ниже в табл. 2.1. |
|
|
|||||
Важным |
отличием |
расчёта |
Компрессор |
Турбина |
|||
турбокомпрессора одновального |
|||||||
ТРД является то, что величины |
|
П , К |
|||||
мтср и 2Х первого приближения |
К , , кПа |
Р\ , кПа |
|||||
после термодинамического рас |
|||||||
т'„, к |
Gn кг/с |
||||||
чёта двигателя ещё неизвестны, |
|||||||
Ge, кг/с |
г ; , К |
||||||
так как при расчёте одноваль |
|||||||
ного ГТД |
нет |
необходимости |
К , кПа |
Р\ , кПа |
|||
распределять работу сжатия ме |
П , к |
Рт, кДж/кг |
|||||
жду каскадами компрессора. По |
Лк |
Л* |
|||||
этому первым этапом |
расчёта |
||||||
основных параметров турбоком |
|
т, час |
|||||
прессора ТРД является |
опре |
|
|
||||
деление величин нтср и zT. Последние могут быть найдены с помощьк уравнения баланса мощности компрессора и турбины, которое можно запи
Н В К Г Т С
Рис. 2 1. Схема типичной проточной части одновального ТРД
4'
сать в следующем виде [11]:
( ^Zт Ии^1 ср |
(2.1) |
|
,2 г ; 2 |
||
|
Задаваясь в случае охлаждаемой турбины оптимальным значением параметра нагруженностиТт‘ = 0,48...0,50 или в случае неохлаждаемой турбины К* = 0,52...0,56 и принимая величину z, по прототипу (либо zT> 1), оп ределяем, основываясь на выражении (2.1), величину мтср:
(2.2)
Если мтср получается больше 520...550 м/с, то следует уменьшить вели чину параметра нагруженности Y*, либо увеличить zT.
Определение основных конструктивно-геометрических параметров турбо компрессора ТРД выполняется в соответствии с методикой расчёта каскада высокого давления турбокомпрессора ТРДЦ (разд. 1.2). При этом если ТРД предназначается для дозвукового ЛА, то необходимо вычислить не только значение мтср по формуле (2.2) для расчётных условий полёта, но и величину
щ ср взл = мт ср кр П' (по результатам расчёта взлётного режима).
л'т. кр
При определении конструктивно-геометрических параметров турбоком прессора необходимо учесть следующие особенности ТРД.
1.При выборе величины параметра напряжений для лопаток первой ступени турбины следует иметь в виду, что величина (Dcp lh2) у современных ТРД обычно находится в пределах (Dcp/A2) = 6...8 у двухступенчатых турбин
и(Dcplh2) = 8... 10 - у трёхступенчатых турбин.
2.Для определения кольцевой площади на выходе из турбины прини
мают А-2 = 0,4...0,6. Относительная высота лопатки в этом сечении у выпол ненных ТРД соответствует (Dcp/A2) = 3...6.
3. Относительный диаметр втулки на входе в компрессор обычно состав ляет dx = 0,3...0,5. Большие значения d\ выбираются для малоразмерных двигателей. Кроме того, при расходе воздуха через двигатель G„ < 20 кг/с, величину осевой скорости на входе в компрессор следует выбирать в пределах Cianp = 160... 180 м/с.
Расчёт и построение меридионального сечения проточной части турбо компрессора и турбины ТРД выполняют в соответствии с указаниями разд. 1.5 и 1.6.
48
2.2. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЁТА И СОГЛАСОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ ДВУХВАЛЫЮГО ТРД
Исходные данные для расчёта проточной части турбокомпрессора двух вального ТРД, схема которого показана на рис. 2.2, приведены а табл. 2.2.
Согласование основный параметров компрессора и турбины ВД выполня ется так же, как для каскада высокого давления ТРДЦ (см. разд. 1.2).
(кНД) (кВД) (тВД) (тНД)
Рис 2.2 Схема типичной проточной части двухвального ТРД
Расчёт основных параметров проточной части турбокомпрессора НД производится следующим образом.
1. Определяется площадь кольцевого сечения на входе в компрессор НД:
Fb=
т р*м ^(A.B)sina,A:G ’
где Кс = 0,97...0,98; а, = 70...80°; с(аВ]пР * 190...220 м/с;
Таблица 2 2
Исходные данные для расчёта основных парамет ров турбокомпрессора двухвального ТРД
К ом прессор |
Т урби н а ВД |
Т урбина НД |
|
|
Г г,К |
|
|
Р1х, кПа |
Р’г , кПа |
г;, к |
|
1тВД , К |
|||
П „ , К |
Р \ , кПа |
||
Р<нд >кПа |
Р ая, кПа |
||
1щд |
|||
Гкнд, К |
ГТВД |
||
Мтнд ср, м/с |
|||
Ру, кПа |
Двд, кДж/кг |
г'нд, кДж/кг |
|
П , к |
^ТВДср> м/с |
2гНД |
|
Ge, кг/с |
2тВД |
СгНД, кг/с |
|
|
ОгВД, кг/с |
|
|
|
т, час |
|
49
С а В £[аВ )пр
т* |
|
|
|
|
1вх |
; ^-в |
|
|
|
288,15 |
7 |
2 |
к |
RTB\ sin а, |
|
|
к + 1 |
|
|
2. Кольцевая площадь на выходе из компрессора НД принимается равной площади на входе в компрессор ВД или больше её_на 3...5 %.
3. Принимая относительный диаметр втулки д равным deBд и выбрав форму проточной части компрессора НД, определяют по формулам (1.20) от носительный диаметр втулки на входе в компрессор НД - <7вНд. При этом форму проточной части следует подбирать такой, чтобы величина й?вНд рас полагалась в пределах 0,3...0,5.
4. По выражениям (1.22)... (1.24) разд. 1.2.2 определяются диаметральные размеры и высота лопаток на входе в компрессор и на выходе из него.
5. Выбрав величину Т>тнд =-^>срТНД- = 0,70...0,85 (см. рис. 1.3 при тп = 0), D кв
рассчитывают средний диаметр турбины НД Dcpтнд = £>тнд Д<в и по формуле (1.17) —частоту вращения каскада низкого давления.
6. Как и для компрессора ВД (см. п. 14... 16 разд. 1.2.2) определяют вели чину окружной скорости на наружном диаметре первой ступени и число сту пеней компрессора НД, а также проверяют оптимальность полученных коэф фициентов расхода саср.
7. Расчёт параметров турбины НД производят по методике раздела 1.3.2. Вычерчивание проточной части компрессора и турбины двухвального
ТРД выполняется в соответствии с рекомендациями разд. 1.5 и 1.6.
2.3. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЁТА И СОГЛАСОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ ТУРБОВАЛЬНОГО ГТД
Турбовальные ГТД (ТВаД) широко применяются в качестве силовых ус тановок вертолётов. Для них характерно наличие свободной турбины.
Проектный расчёт основных параметров газогенератора ТВаД (рис. 2.3) аналогичен расчету турбокомпрессора одновального ТРД.
Исходные данные для расчёта проточной части газогенератора ТВаД пол ностью соответствуют табл. 2.1. в этом случае параметрам за турбиной газо генератора присваивают вместо индекса "Т" индекс "тВД". Кроме них для расчёта свободной турбины ТВаД необходимо иметь следующие исходные
данные: Дсв> Т|тсв >^гсв> р , ,Тт.
При расчёте проточной части турбовальных ГТД учитываются следующие особенности.
Расчёт турбины компрессора выполняется по методике разд. 1.2.1 с учётом
50
Рис. 2.3. Схема типичной проточной части турбовального ГТД
особенностей, изложенных в п. 2.1. При выборе величин параметра напряз ний £твд в лопатках первой ступени турбины следует иметь в виду, что ве. чина (£>ср //г2) у большинства современных ТВаД в силу особенностей их ю струкции обычно находится в пределах 8,5... 12.
В связи с конструктивными особенностями турбовальных ГТД величт относительного диаметра втулки на входе в компрессор у них, как прави принадлежит интервалу d\ = 0,6...0,75.
Компрессоры турбовальных двигателей выполняются в ряде случаев о центробежными (первые ступени —осевые, последняя ступень - центробе ная). Такая схема компрессора применяется в тех случаях, когда для осев< компрессора высоты лопаток последних ступеней получаются нерационалг малыми. Определение основных конструктивно-геометрических размер осецентробежного компрессора производится следующим образом.
1. Производят оценку допустимой величины наружного диаметра ра( чего колеса (РК) центробежного компрессора (ЦБК). По конструктивным > ображениям обычно принимают £>2 ц б к - (1>Ю... 1,25) DKr,
где DKг - наружный диаметр на входе в турбину компрессора.
2.Выбирают величину осевой скорости на выходе из последней ступе осевого компрессора равной или на 10...20 м/с меньшей скорости на вход первую ступень, которая у малоразмерных ТВаД обычно принимается равн 160... 180 м/с.
3.Определяют величину окружной скорости на выходе из РК ЦБК и п| веряют, обеспечивает ли она отсутствие обратных течений в РК
_ 7Г £>2 ЦБК П тк < _ |
^-3а |
^ 2 ЦБК
60 0,25...0,35
где величина птк определяется при расчёте турбины компрессора по форм) (1.17).
4.Принимая коэффициент напора центробежной ступени Н = 0,65...0,
икоэффициент её полезного действияТ1*ЦБК = 0,78...0,80, определяют изо;
тропическую и затраченную работы ЦБК: |
|
т' |
|||
г* |
_ |
,.2 |
„ |
г* |
|
_ и |
_ ^ ЦБК |
||||
ЦБК |
— л |
Щ ЦБК |
И |
А.ЦБК |
------- ;-------. |
ПцБК
5. Определяют работу сжатия осевых ступеней компрессора:
1<Ж~ At z —Lцбк.
6.Выбирают коэффициент полезного действия осевого компрессораг)ок =
=0,82...0,85 и определяют степень повышения давления7Гоки параметры по тока за осевыми ступенями:
к-\
7.По формуле (1.18) определяют кольцевые площади на входе и на вы ходе из осевых ступеней FiKи F3k.
8.Определяют предварительные диаметральные размеры ЦБК на входе в
РК: наружный диаметр Dx= (0,45...0,65)£>2 цбк,
внутренний диаметр D0= J D? |
------ : |
V |
71 |
По конструктивным соображениям должно быть D0 > 0,23...0,25 м. Если D0 меньше 0,23, то принимают D0 = 0,23 м и рассчитывают величину D\.
9. Определяют относительный диаметр втулки на входе в рабочее колесо ЦБК d\ цбк = DJD\. Его значение по конструктивным соображениям должно быть цбк ® 0,60...0,75.
10. Выбирают относительный диаметр втулки на выходе из осевого ком прессора й?зок « 0,65...0,80 и определяют диаметральные размеры в этом се чении по формулам (1.22), (1.23) и высоту лопатки. Если получается йзок < 0,015...0,020 м, то необходимо уменьшить 0к-
11.Сопоставляя диаметральные размеры на выходе из осевого компрес сора и на входе в ЦБК, решают, нужен ли переходник между ними.
12.По выбранной форме проточной части осевого компрессора, пользуясь
соответствующим выражением из (1.20), определяют относительный диаметр втулки на входе в компрессор, который у ТВаД обычно соответствует диапа зону d\ ок = 0,55...0,75 (чем больше zK, тем меньше величина d, 0к)-
13. Определяются диаметральные размеры на входе в осевые ступени, а также окружные скорости на среднем диаметре первого и последнего РК
WlcpOK И «ЗсрОК- |
_ |
14. Проверяют оптимальность коэффициентов расхода (п. 15 разд. |
1.2) са |
указанных ступеней и определяют средний диаметр для всех остальных сту-
v |
т-* D\ с р "Ь D%с р |
пеней |
в целом Д р =— ---- -. |
15. Определяют коэффициент затраты мощности на привод осевых ступеней
52
aЦБК
-WOK ~~ 1 - Т цбК = 1 -
U Pm Gr
При этом уравнение баланса мощности турбокомпрессора получит вид
£ Цт б/г |
Л’ок |
ZOK- |
|
Подставляя в это уравнение |
|
|
|
Г* _ Z T » т с р . |
^°к |
_ гг |
2 |
^ у >2 г1т |
|
к Мср к ’ |
|
а также полагая, что Кт = a Y '^2 Н (см. вывод (1.27)), определяют число осевых ступеней компрессора по следующему выражению:
|
|
DT |
дг |
|
|
v А<ср) |
Т7ГЛ°К’ |
|
|
Л™ |
|
где |
= 0,38...0,52. Полученная величина zKокругляется до целого числа в |
||
большую сторону. |
|
|
|
16. |
Осевые размеры центробежной ступени ориентировочно можно оце |
||
нить по выражению |
б к = / 1 + (0,25...0,50)/2, |
||
|
/ ц |
||
где 1\ = (0,15...0,20) А ц б к |
- ширина канала в осевом направлении на диа |
||
метре £й; |
|
|
|
h = (0,04...0,08) £>2 ц б к - высота лопатки на выходе из РК ЦБК. Оценённые таким образом конструктивно-геометрические параметры цен
тробежной ступени уточняются при её газодинамическом расчёте. Диаметральные размеры свободной турбины ТВаД рассчитываются ана
логично турбине НД (см. разд. 1.3.2). Однако порядок расчёта несколько из меняется, так как частота вращения свободной турбины в значительной сте пени зависит от потребителя мощности и поэтому во многих случаях задаётся заранее. Так, например, у турбовальных ГТД для вертолётов частота враще ния свободной турбины ограничивается предельно допустимой частотой вра щения несущего винта и допустимой массой его редуктора. Поэтому в зави симости от этих ограничений у вертолётных ГТД величина мтсв обычно меньше, чеммте на 20...50 %.
Расчёт проточной части свободной турбины ведётся следующим образом.
1. Определяют величину необходимого среднего диаметра свободной тур бины. Для этого, принимая во внимание, что оптимальное по параметру нагруженности значение окружной скорости свободной турбины на среднем диаметре
Мт сп = |
F * . |
2-103Гтсв |
(2.3) |
Т СР |
ЛТopt |
|
|
а необходимое для потребителя
53
Д D T св ср « г СВ
60
( 2 .4)
где «т св ^norpj
находят, приравнивая правые части уравнений (2.3) и (2.4), требуемую вели чину среднего для всех ступеней диаметра свободной турбины
|
(2.5) |
Здесь величины zTCBи |
берутся по прототипу, а если величина итсв не |
известна, то в случае вертолётных ТВаД её выбирают в диапазоне (0,45...
0,8) итк, исходя из обеспечения плавности формы проточной части турбины в целом; у 'ор, = 0,5...0,55 - для одноступенчатых турбин, у'ор, ~ 0,55...0,65 - для
многоступенчатых. При этом в случае выбора меридионального профиля сво бодной турбины при Др = const для плавного изменения проточной части всей турбины необходимо обеспечить £>т св,,, > Д ™сР-
2.Задаются величиной (Др/h2) = 3,5.. .6,5 так, чтобы величина параметра напряжений ет св последней ступени свободной турбины не превышала (23...
28)- 103 м2/с2.
3.Выбирая на основе анализа схем ТВаД (см. приложение Б) или задан ного прототипа форму проточной части свободной турбины, и принимая
кольцевую площадь на входе в свободную турбину на 15...25 % больше пло щади на выходе из турбины компрессора (F0cB » 1,15... 1,25 F2тк), определяют по формулам п. 25 высоты лопаток и диаметральные размеры на входе в сво бодную турбину и на выходе из неё: А0, Д ксв, Д втсв, А2, D2kcb, D2тсв. Иногда при высоких значениях пки небольших расходах воздуха для уменьшения га баритов и массы редуктора ТВаД площадь на входе в свободную турбину может быть выбрана на 50...70 % больше площади на выходе из турбины компрессора.
4. При завершении расчёта по формулам п. 26 проверяют величину при веденной скорости на выходе из свободной турбины. Величина Х2 в случае ТВаД не должна превышать 0,35...0,45.
2.4. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЁТА И СОГЛАСОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ ОДНОВАЛЬНОГО ТВД
Одновальные ТВД (рис. 2.4) получили наиболее широкое распространение в эксплуатации ДПС. Расчётным режимом турбокомпрессоров таких ТВД, как правило, является высотный крейсерский режим.
Для согласования частоты вращения турбины и винта ТВД применяют ре дукторы.
54