Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-1

.pdf
Скачиваний:
28
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
15.37 Mб
Скачать

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

А.А. Григорьев

ТЕОРИЯ, РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2007

УДК 621.452.3.01 Г83

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор ВТ. Августинович (АО «Авиадвигатель»);

доктор технических наук, профессор М.И. Соколовский (ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»)

Григорьев, А.А.

Г83 Теория, расчет и проектирование авиационных двигате­ лей и энергетических установок: учеб, пособие / А.А. Гри­ горьев. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. - 196 с.

ISBN 978-5-88151-670-3

Изложены основы теории, алгоритмы и компьютерные программы расчетов основных физических и геометрических параметров воздушнореактивных двигателей различных типов. Приведены примеры расчетов основных типов воздушно-реактивных двигателей.

Предназначено для студентов специальностей «Двигатели летатель­ ных аппаратов» и «Авиационные двигатели и энергетические уста­ новки».

УДК 621.452.3.01

ISBN 978-5-88151-670-3

© ГОУ ВПО «Пермский государственный

 

технический университет», 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ПРЕДИСЛОВИЕ............................................................................

6

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................

7

1. ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АВИАЦИОН­

 

НЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.................................

7

1.1. Цели термогазодинамического расчета...........................

7

1.2. Принятые обозначения......................................................

7

1.3. Этапы термогазодинамического расчета........................

12

2. РАСЧЕТ ОДНОВАЛЬНЫХ И ДВУХВАЛЬНЫХ

 

ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ТРД)..........................

17

2.1. Предварительный расчет..................................................

17

2.2. Расчет одновального ТРД по исходным параметрам ....

20

2.2.1. Определение основных параметров потока газа

 

(воздуха) в характерных сечениях по тракту двигателя....

20

2.2.2. Определение основных данных двигателя.............

26

2.2.3. Предварительная оценка диаметральных размеров

 

характерных сечений двигателя..........................................

28

2.2.4. Определение частоты вращения ротора ТРД.........

33

2.3. Особенности расчета двухвального ТРД:.......................

35

3. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТРД........................................................

36

3.1. Предварительный расчет.................................................

37

3.2. Расчет по исходным параметрам....................................

40

3.3. Определение основных данных двигателя....................

45

3.4. Предварительная оценка диаметральных размеров

 

характерных сечений двигателя.............................................

46

3.5. Определение частоты вращения ротора.........................

48

4. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРД С ФОРСАЖНОЙ

 

КАМЕРОЙ (ТРДФ)......................................................................

49

4.1. Предварительный расчет ТРДФ......................................

49

4.2. Расчет ТРДФ по исходным параметрам.........................

52

4.3. Определение основных данных двигателя на

 

форсированном режиме..........................................................

54

4.4. Предварительная оценка диаметральных размеров.....

55

5. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ТРДФ.................................................

56

5.1. Задание 1 ..........................................................................

56

5.1.1. Предварительный расчет ТРДФ..............................

56

5.1.2. Расчет по исходным параметрам.............................

57

3

5.1.3. Определение основных данных двигателя на

 

форсированном режиме......................................................

59

5.1.4. Предварительная оценка диаметральных раз­

 

меров....................................................................................

60

5.2. Задание 2...........................................................................

60

6. РАСЧЕТ ТУРБОВИНТОВОГО (ТВД) И ТУРБОВАЛЬ-

 

НОГО (ТВаД) ДВИГАТЕЛЕЙ....................................................

63

6.1. Предварительный расчет.................................................

64

6.2. Расчет ТВД по исходным параметрам............................

66

6.3. Определение основных данных двигателя.....................

68

7. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТВаД......................................................

70

7.1. Предварительный расчет.................................................

71

7.2. Расчет по исходным параметрам....................................

73

7.3. Определение основных данных двигателя.....................

80

7.4. Определение частоты вращения роторов.......................

81

8. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВУХВАЛЬНОГО

 

ДВУХКОНТУРНОГО ТРД (ТРДЦ)...........................................

83

8.1. Предварительный расчет.................................................

83

8.2. Расчет ТРДД по исходным параметрам.........................

85

8.2.1. Внутренний контур......................................................

85

8.2.2. Наружный контур.........................................................

92

8.3. Определение основных данных двигателя.....................

93

8.4. Предварительная оценка диаметральных размеров

 

характерных сечений двигателя.............................................

95

8.5. Частота вращения роторов ТРДД...................................

97

9. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТРЕХВАЛЬНОГО ТРДД......

98

10. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТРДД.....................................................

101

10.1. Предварительный расчет.................................................

102

10.2. Расчет по исходным параметрам (без смешения

 

потоков)......................................................................................

105

10.3. Определение основных данных двигателя....................

115

10.4. Предварительная оценка диаметральных размеров

 

характерных сечений двигателя...............................................

117

10.5. Определение частоты вращения роторов.......................

120

11. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТРДД СО СМЕШЕНИЕМ

 

ПОТОКОВ НАРУЖНОГО И ВНУТРЕННЕГО КОНТУРОВ

 

(ТРДЦсм).........................................................................................

122

11.1. Предварительный расчет................................................

122

4

11.2. Расчет по исходным параметрам...................................

124

11.3. Определение основных данных двигателя...................

126

11.4. Предварительная оценка диаметральных размеров

 

характерных сечений двигателя..............................................

126

12. ПРИМЕР РАСЧЁТА ТРДД ...................................................

128

13. РАСЧЕТ ТРДД С ФОРСАЖНОЙ КАМЕРОЙ (ТРДДФ)...

132

13.1. Предварительный расчет ТРДДФСМ...............................

133

13.2. Расчет по исходным параметрам...................................

135

13.3. Определение основных данных двигателя...................

136

Библиографический список.........................................................

137

Приложение 1 ...............................................................................

139

Приложение 2 ...............................................................................

148

Приложение 3 ...............................................................................

159

Приложение 4 ...............................................................................

171

ПРЕДИСЛОВИЕ

Газодинамический расчет является начальным этапом про­ ектирования авиационного двигателя.

В данном пособии приведены методики предварительного расчета ГТД различных типов (ТРД, ТРДФ, ТВД, ТВаД, ТРДД, ТРДЦФ) для выбора исходных величин их основных парамет­ ров, порядок газодинамического расчета двигателей по исход­ ным параметрам, расчет основных данных двигателя и геомет­ рических размеров характерных сечений.

Расчет по приведенным в пособии методикам не является окончательным, так как не учитывает полностью связи парамет­ ров двигателя с прочностью турбины и компрессора и ограни­ чений по массе и габаритам.

Для облегчения вычислений в приложении помещены не­ обходимые графики и таблицы, а также указаны значения коэф­ фициентов, характеризующих совершенство узлов авиационно­ го двигателя.

При написании данного пособия за основу взяты «Методи­ ческие указания к выбору параметров и газодинамическому расчету...», подготовленные к изданию М.М. Зальцманом и Н.Д. Корж при участии Ю.Н. Серегина и изданные в 1980 г., которые до настоящего времени успешно применяются в ряде вузов РФ. Однако развитие авиадвигателестроения за истекшие годы, существенное повышение параметров эффективности от­ дельных узлов и двигателей в целом, широкое внедрение вы­ числительной техники и новых компьютерных программ, а так­ же накопившиеся замечания и предложения вызвали необходи­ мость внесения существенных корректив в данное пособие

иизменения его формата.

Всвязи с тем, что в подавляющем большинстве публикуе­ мой учебной и технической литературы, а также в читаемых сту­ дентам курсах применяется международная система единиц СИ, она принята в качестве основной и в данном учебном пособии.

Хочу выразить благодарность моему сыну Н.А. Григорьеву за большую техническую помощь в подготовке данного пособия

кизданию.

6

ВВЕДЕНИЕ

В данном пособии наиболее подробно рассмотрены расче­ ты одновального ТРД, и на них сделаны ссылки при рассмотре­ нии особенностей расчетов других типов двигателей. Поэтому независимо от того, какой тип двигателя задан, необходимо оз­ накомиться с этими расчетами.

Прежде чем приступать к расчетам, рекомендуется ознако­ миться с принятыми обозначениями (п. 1.2), а затем уже обра­ щаться к ним по мере необходимости. Кроме того, необходимо ознакомиться с приложениями. Графики и таблицы, помещен­ ные в них, помогут сократить некоторые вычисления.

1. ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Цели термогазодинамического расчета

Целями термогазодинамического расчета являются:

1. Определение оптимальных параметров рабочего процес­

са ВРД (тс*, 7’*, т> х, 7’ф) в зависимости от его типа (предва­

рительный расчет).

2. Определение полных и статических параметров рабочего

тела (р*,р, Т*, Т, р*, р, с) в характерных сечениях газового тракта ТРД и расчет геометрических размеров этих сечений.

3. Построение высотно-скоростных и дроссельных характе­ ристик ВРД (выполняется по отдельной методике).

1.2. Принятые обозначения

а*х - коэффициент сохранения полного давления в возду­

хозаборнике (ВЗ). Для ТВД а*х «0,97...0,99. Для ТРД и ТРДД

при работе двигателя на стенде (М р =0) а*х0 =0,90...0,98, для

дозвуковых ВЗ при 1,0 < Мр < 1,5

сг*х = а*х0 а*рск, для сверхзву­

ковых ВЗ сг*вх = а ;х0а ; 1СТСК, где

- коэффициент сохра-

7

нения полного давления

в прямом скачке, принимать

стпР.ск «0,93...0,94; сг*истск -

коэффициент сохранения полного

давления в системе косых скачков, принимать по рис. 1 прило­ жения 1;

а*2 коэффициент сохранения полного давления в канале

наружного контура ТРДД, принимать 0,94...0,99 в зависимости от длины канала;

сткс - коэффициент сохранения полного давления в основ­ ной камере сгорания (КС), принимать 0,94...0,96;

сГфК - коэффициент сохранения полного давления в фор­

сажной камере сгорания (ФК). с*ФК = а*идр <4ПЛ, где а*1др - ко­

эффициент, учитывающий гидравлические потери в ФК, прини­

мать 0,95...0,98; - коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление в ФК, выбирать по рис. 5 приложения 1;

а* - коэффициент сохранения полного давления в PC,

принимать 0,98...0,99;

т)вв - КПД воздушного винта (ВВ), принимать на взлетном

режиме для самолетов - 0,85...0,88, для вертолетов - 0,76...0,81;

Ti^ - КПД редуктора ТВД, принимать 0,98...0,99 (при

расположении редуктора на двигателе);

т]* -КП Д компрессора ГТД, принимать 0,82...0,86 в зави­

симости от степени повышения давления (при Т я* т]*);

г|в - КПД вентилятора (В) ТРДД, принимать 0,85... 0,87 ;

г|* - КПД турбины ГТД по параметрам заторможенного потока, принимать 0,91...0,94 в зависимости от числа ступеней (при 1Х = > 1Х );

т]м —механический КПД, учитывающий затраты мощности на трение в подшипниках и привод агрегатов, принимать 0,98... 0,99;

8

т]г - коэффициент полноты сгорания топлива в КС, прини­

мать 0,97... 0,99; Т1ФК - коэффициент полноты сгорания топлива в ФК, при­

нимать 0,92... 0,95;

г|2 - КПД, учитывающий гидравлические потери в наруж­ ном контуре ТРДД, принимать 0,78...0,84 в зависимости от схемы двигателя. Чем длиннее наружный контур, тем меньше значение т|2;

Рст -К П Д свободной турбины ТВаД, принимать 0,90...0,92.

Фс - коэффициент скорости в реактивном сопле (PC), при­ нимать для ТРД, ТРДД, ТВД - 0,97...0,98; для ТВаД - 0,90...0,94; для ТРДФ и ТРДДФ - 0,92...0,95. Чем выше ско­ рость полета, тем меньше значение фс;

- коэффициент, учитывающий отбор воздуха на охлаж­ дение и другие нужды, а также утечку его через лабиринтные уплотнения. При увеличении Т* уменьшается значение £,. При­ нимать для двигателей с охлаждаемыми воздухом лопатками турбины: при Г* <1500К - 0,96...0,98; при Т* >1500К - 0,93...0,95; при ГГ*>1600К - 0,90...0,92; при ГГ*>1700К - 0,86... 0,88;

Р - коэффициент, учитывающий массу топлива, введенно­ го в двигатель, принимать 1,01... 1,02;

р - коэффициент, учитывающий увеличение температуры газа в конце процесса расширения ( t Гс) из-за неадиабатичности процесса (подогрев газа в результате трения), принимать 1,02.. Л,04;

qT - расход топлива в килограммах на 1 кг воздуха, прохо­ дящего через КС;

qrф - расход топлива в килограммах на 1 кг газов, прохо­ дящих через ФК;

скр - местная скорость звука, м/с;

9

Ни - низшая теплотворная способность углеводородного топлива, принимать 43 000 кДж/кг;

свх - осевая скорость воздуха на входе в компрессор, при­ нимать при первых дозвуковых ступенях - 180...200м/с, при первой трансзвуковой-210...230 м/с, при первой сверхзвуковой

ступени -

230... 250 м/с, для маломощных ГТД - 140.. Л60 м/с;

ск -

осевая скорость воздуха за компрессором, принимать

100... 190м/с, при I

ск (ск < свх) ;

св -

осевая скорость воздуха за вентилятором ТРДД, при­

нимать 180...240м/с (за КИД Скнд принимать 140...200 м/с); сг - осевая скорость газов за КС, принимать ПО... 200 м/с;

Мт

- число Маха за турбиной, принимать:

для ТРД

и ТРДД -

0,4...0,7; для ТВаД- 0,3...0,45 ; для ТВ Д -

0,4...0,7.

О правильности выбранной величины осевой скорости судить по размерам лопаток последних ступеней турбины;

7с*/ - изоэнтропическая (адиабатическая) степень повыше­ ния давления воздуха в воздухозаборнике;

явз - степень повышения давления воздуха в воздухоза­ борнике, Лез = Пу овх;

ти* - степень повышения полного давления воздуха в ком­ прессоре;

-общая степень повышения давления воздуха в ГТД;

-общая степень повышения давления воздуха в двух­ каскадном (трехкаскадном) компрессоре ГТД;

яквд - степень повышения давления воздуха в компрессо­ ре высокого давления (КВД);

тскНд - степень повышения давления воздуха в компрессо­ ре низкого давления (КНД);

лкед - степень повышения давления воздуха в компрессо­ ре среднего давления (КСД);

тсз - степень повышения давления воздуха в вентиляторе

(В) ТРДД (в наружном контуре);

10

Соседние файлы в папке книги