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