7 Исследование дроссельной характеристики двигателя
Дроссельной характеристикой называют зависимость основных параметров двигателя от частоты вращения ротора или расхода топлива при заданных условиях на входе и принятой программе регулирования.
7.1 Выбор исходных данных для расчета дроссельной характеристики
Для расчета и построения дроссельной характеристики воспользуемся пакетом программ для математического моделирования (программа mgtu2). Данный пакет программ позволяет проводить расчет характеристик ГТД с двухвальным газогенератором и силовой турбиной.
Исходные данные для расчета:
Gв р= 32,43- массовый расход воздуха на входе в двигатель в кг/с,
Нр= 0 - расчетная высота полета в км,
Мн р=0 – расчетная скорость полета в числах Маха,
πк*=19,3 - степень повышения полного давления в компрессоре,
ηк*=0,839 - расчетное значение КПД компрессора,
ηкнд*=0,878 - расчетное значение КПД КНД,
Тг р*=1490 - расчетное значение полной температуры перед турбиной в К,
сс=68 - скорость истечения на срезе выходного насадка в м/с,
Lкр= 0,395 - распределение общей работы компрессора между каскадами,
ηтвд*=0,887 - КПД ТВД,
ηтнд*=0,928 - КПД ТНД,
ηтс*=0,9102 - КПД турбины свободной,
λu твд р= 0,6214 - расчетное значение приведенной окружной скорости на среднем диаметре ТВД,
λu тнд р= 0,5495 - расчетное значение приведенной окружной скорости на среднем диаметре ТНД,
λu тс р= 0,3498 - расчетное значение приведенной окружной скорости на среднем диаметре ТС,
Zтк=1 - число ступеней ТВД,
Zтк=1 - число ступеней ТНД,
Zтс=4 - число ступеней ТС,
σвх=0,95 - коэффициент восстановления полного давления во входном устройстве,
σкс=0,943 - коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания,
σрн=0,975 - коэффициент восстановления полного давления реактивном насадке,
σпт=0,987 - коэффициент восстановления полного давления в переходном канале между КНД и КВД,
ηг=0,990 - коэффициент полноты сгорания,
ηmвд=0,995 , ηmнд=0,995- механические КПД роторов ВД иНД,
πс=1,00 – коэффициент полноты расширения в реактивном насадке,
nвд=14451,6 – частота вращения ротора ВД в об/мин.,
nнд=11495,3 – частота вращения ротора НД в об/мин.,
nтс=4800 – частота вращения ротора свободной турбины в об/мин.,
Предусмотрен отбор
воздуха для охлаждения турбины КВД
,
турбины
КНД
и
на нужды установк.
Значение приведенной
окружной скорости в ТВД, ТНД и ТС вычисляем
по формуле:
,
и
.
где kг=1,310 – коэффициент адиабаты;
Rг=290 кДж/кг – универсальная газовая постоянная;
UсрТВД=435 м/с – окружная скорость на среднем радиусе в ТВД;
UсрТНД=349.5 м/с – окружная скорость на среднем радиусе в ТНД;
UсрТС=208.5 м/с – окружная скорость на среднем радиусе в ТС;
Т*г=1480 К – температура на входе в ТВД;
Т*гТНД=1230 К – температура на входе в ТНД;
Т*гТС=1080 К – температура на входе в ТС.
Значение КПД силовой турбины определяется по формуле:
где Т*тТС=786 К – температура на выходе из ТС;
π*т∑=3,97 – суммарная степень расширения в ТС.
Исследуем режимы, осуществляя дросселирование двигателя по программе:
nгг=var; FPH=const.
Расчёт проводим на восьми режимах, где относительная частота вращения n изменяется вследствие уменьшения подачи топлива в основную камеру сгорания.
Исходные данные для расчета дроссельной характеристики и результаты расчета представлены в таблицах 7.1 и 7.2.
Таблица 7.1 - Исходные данные для расчета дроссельной характеристики
08 02 13 mgtu2.dat
1 1 1 8 8 1 0 0 1
0 2 10 7 4
230 230 230 230 230 230 230 230 230 230
230 230 230 230 230 230
32.43 .0000 .0000 19.30 .8390 .8780
1490. 1230.00 68.0 .395 1.000 1.000
.8870 .6214 1.0000 .9280 .5495 1.0000 .9102 .3498 3.0000
0.9500 1.0000 .9430 .9900 .9950 .9950 1.0000 1.0000 1.0000 0.9750
1.0000 0.987
.0243 .0000 .0450 .0000 .0000 .0000 .0000
14451.6 11495.3 4800.
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
1.0000 .9900 .9800 .9600 .9400 .9300 .9150 .9050 .8100 .8000
.7900 .7800 .7700 .7600 .7550 .7500
1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
.0243 .0243 .0243 .0243 .0243 .0243 .0243 .0243 .0243 .0243
.0243 .0243 .0243 .0243 .0243 .0243
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0450 .0450 .0450 .0450 .0450 .0450 .0450 .0450 .0450 .0450
.0450 .0450 .0450 .0450 .0450 .0450
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
1.0000 .9500 .9000 .8500 .8000 0.7500 0.7000 .6500 .6000 .5500
1.0000 .9500 .9000 .8500 .8000 0.7500 0.7000 .6500 .6000 .5500
0.7633 0.6312 .8175 .9156 3.223 2.540
2.100 3.650 3.650 11.2e04 20.3e01
17.20 .505E08 36.18 23.13 40.00
1460. .0900 6.000 .4000 0.000
.0620 1.8000 .0500 .0246 .0025 .1450 .0730 .9000 .2000 .6000
.0250 .0200 .0100
10 10 1 9 8
6.4900 6.4000 6.2100 5.7900 5.5000 5.2000 4.9000 4.6500 4.4500 4.2500
6.0700 6.0000 5.8600 5.6400 5.3100 5.1000 4.8000 4.5200 4.2000 3.9000
5.6551 5.6328 5.5722 5.4653 5.2923 5.0832 4.7000 4.2300 3.9000 3.6000
5.0903 5.0719 5.0208 4.9191 4.7958 4.6459 4.4677 4.2001 3.8000 3.3000
4.5703 4.5492 4.4983 4.4264 4.3316 4.1964 4.0405 3.8275 3.5000 3.0000
4.4004 4.3765 4.3311 4.2500 4.1407 4.0019 3.8300 3.6266 3.2100 2.8000
3.9500 3.9376 3.9046 3.8443 3.7553 3.6354 3.4706 3.2525 2.8317 2.5000
3.3336 3.3213 3.2940 3.2500 3.1906 3.1072 2.9855 2.8235 2.5405 2.3000
2.8810 2.8641 2.8376 2.8070 2.7642 2.7042 2.6332 2.5380 2.4140 2.1700
2.3971 2.3789 2.3568 2.3241 2.2842 2.2413 2.1859 2.1143 2.0303 1.8985
1.0300 1.0400 1.0500 1.0600 1.0610 1.0615 1.0620 1.0620 1.0620 1.0620
.9600 .9700 .9800 .9900 1.0000 1.0030 1.0040 1.0060 1.0060 1.0060
.9000 .9100 .9200 .9300 .9400 .9500 .9600 .9650 .9650 .9650
.8400 .8500 .8600 .8700 .8800 .8900 .9000 .9100 .9130 .9150
.7800 .7900 .8000 .8100 .8200 .8300 .8400 .8500 .8530 .8550
.7400 .7500 .7600 .7700 .7800 .7900 .8000 .8100 .8200 .8220
.6700 .6800 .6900 .7000 .7100 .7200 .7300 .7400 .7500 .7550
.5800 .5900 .6000 .6100 .6200 .6300 .6400 .6500 .6600 .6650
.5100 .5200 .5300 .5400 .5500 .5600 .5700 .5800 .5900 .6000
.4300 .4400 .4500 .4600 .4700 .4800 .4900 .5000 .5100 .5200
.8575 .8656 .8676 .8636 .8600 .8540 .8470 .8393 .8320 .8230
Продолжение таблицы 7.1
.8615 .8686 .8737 .8777 .8777 .8780 .8760 .8747 .8680 .8600
.8570 .8625 .8691 .8749 .8804 .8838 .8840 .8799 .8700 .8610
.8679 .8720 .8766 .8811 .8845 .8856 .8835 .8767 .8590 .8240
.8689 .8754 .8805 .8834 .8844 .8813 .8742 .8597 .8280 .7650
.8667 .8723 .8764 .8794 .8794 .8779 .8701 .8556 .8022 .7070
.8689 .8741 .8786 .8821 .8840 .8822 .8746 .8573 .7911 .7000
.8681 .8747 .8802 .8842 .8858 .8846 .8781 .8634 .8142 .7400
.8687 .8785 .8852 .8891 .8910 .8904 .8862 .8768 .8586 .7918
.8730 .8812 .8876 .8941 .8955 .8933 .8882 .8776 .8576 .8242
4.4677 .9000 .8835
1.0833 1.0537 1.0296 1.0000 .9667 .9444 .9074 .8574 .8167 .7630
5 10 1 5 8
5.4611 5.3167 5.1500 5.0300 4.8000 4.5083 4.4000 4.1250 3.9000 3.6000
4.9295 4.8919 4.8184 4.6809 4.4636 4.2574 4.0063 3.8000 3.6000 3.3500
4.2884 4.2736 4.1943 4.1112 3.9867 3.8128 3.6473 3.4967 3.3000 3.0500
3.7500 3.7410 3.6821 3.5539 3.4528 3.3592 3.2461 3.1000 2.9250 2.7000
3.4939 3.4528 3.3760 3.3274 3.2625 3.1961 3.1064 3.0000 2.8250 2.6000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.2800 .2825 .2840 .2850 .2868 .2875 .2878 .2880 .2880 .2880
.2500 .2550 .2575 .2600 .2625 .2650 .2675 .2680 .2687 .2690
.2250 .2300 .2350 .2375 .2400 .2425 .2450 .2475 .2488 .2495
.2060 .2100 .2150 .2200 .2225 .2250 .2275 .2300 .2320 .2330
.1950 .2000 .2050 .2075 .2100 .2125 .2150 .2170 .2200 .2220
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.8350 .8420 .8450 .8460 .8440 .8400 .8340 .8220 .8080 .7880
.8390 .8510 .8560 .8600 .8630 .8590 .8495 .8350 .8220 .8020
.8430 .8550 .8645 .8665 .8690 .8670 .8610 .8510 .8360 .8100
.8440 .8490 .8600 .8660 .8660 .8640 .8575 .8400 .8160 .7720
.8460 .8515 .8570 .8595 .8610 .8620 .8585 .8500 .8240 .7600
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
4.0063 .2675 .8495
1.0517 1.0000 .9498 .9069 .8715 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000
7.2 Результаты расчета дроссельной характеристики
Таблица 7.2 – Результаты расчёта
ММ ГТД-2-1 Дата 8. 2.13
NT= 1 1 NR= 1 8 8 1 NK= 0 0 NQ= 0 NMK= 1 IDT= 2 NL= 10
DH1= 32.4 .00 .00 19.30 .839 .878 1490. 1230. 68.0 .395 1.000 1.000
DH2= .887 .621 1.000 .928 .549 1.000 .910 .350 3.000
BH= .950 1.000 .943 .990 .995 .995 1.000 1.000 1.000 .975 1.000 .987
DGT= .024 .000 .045 .000 .000 .000 WP= 14451.6 11495.3 4800.0
ALO=17.200 HU= .5050E+08 DTAY= .400 SM= .000 GDBY= .000
IRH= 36.18 IRB= 23.13 IRC= 40.00 TGM=1460.0 DKUM= .090 AKSM= 6.00
N NP R1 R2 R3 RWC RGOT RGPR RGO1 RGO2 RGO3 DDT
1 230 1.000 1.000 1.000 1.000 .024 .000 .045 .000 .000 .0
2 230 .990 1.000 1.000 1.000 .024 .000 .045 .000 .000 .0
3 230 .980 1.000 1.000 1.000 .024 .000 .045 .000 .000 .0
4 230 .960 1.000 1.000 1.000 .024 .000 .045 .000 .000 .0
5 230 .940 1.000 1.000 1.000 .024 .000 .045 .000 .000 .0
6 230 .930 1.000 1.000 1.000 .024 .000 .045 .000 .000 .0
7 230 .915 1.000 1.000 1.000 .024 .000 .045 .000 .000 .0
8 230 .905 1.000 1.000 1.000 .024 .000 .045 .000 .000 .0
H= .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0
MH= .000 .000 .000 .000 .000 .000 .000 .000
Продолжение таблицы 7.2
* * *
ХАРАКТЕРИСТИКА КHД
ППР GПР ПК КПД ППР GПР ПК КПД
1.000 31.35 5.399 .8453 .9500 28.86 4.899 .8500
1.000 31.88 5.086 .8693 .9500 29.47 4.631 .8776
1.000 32.29 4.745 .8776 .9500 29.93 4.333 .8877
1.000 32.58 4.382 .8772 .9500 30.27 4.011 .8879
1.000 32.77 4.003 .8672 .9500 30.48 3.671 .8785
1.000 32.87 3.612 .8410 .9500 30.60 3.318 .8519
1.000 32.91 3.214 .7936 .9500 30.64 2.958 .8029
* * *
.9000 26.26 4.308 .8569 .8500 23.50 3.745 .8553
.9000 26.92 4.079 .8834 .8500 24.21 3.556 .8818
.9000 27.41 3.819 .8920 .8500 24.74 3.334 .8893
.9000 27.75 3.534 .8909 .8500 25.10 3.087 .8869
.9000 27.97 3.231 .8778 .8500 25.32 2.821 .8698
.9000 28.08 2.915 .8448 .8500 25.41 2.542 .8297
.9000 28.10 2.593 .7864 .8500 25.43 2.258 .7606
* * *
.8000 20.61 3.215 .8459 .7500 17.64 2.723 .8290
.8000 21.39 3.066 .8730 .7500 18.50 2.612 .8573
.8000 21.96 2.882 .8797 .7500 19.12 2.465 .8634
.8000 22.35 2.671 .8758 .7500 19.52 2.290 .8574
.8000 22.56 2.442 .8539 .7500 19.73 2.096 .8292
.8000 22.64 2.201 .8052 .7500 19.79 1.890 .7690
.8000 22.65 1.954 .7231 .7500 19.79 1.682 .6695
* * *
.7000 14.61 2.275 .8050
.7000 15.55 2.200 .8350
.7000 16.22 2.086 .8403
.7000 16.63 1.944 .8308
.7000 16.82 1.783 .7931
.7000 16.85 1.613 .7159
.7000 16.85 1.442 .5908
* * *
ХАРАКТЕРИСТИКА КВД
ППР GПР ПК КПД ППР GПР ПК КПД
1.000 31.27 4.999 .8257 .9500 29.11 4.523 .8315
1.000 31.83 4.719 .8497 .9500 29.77 4.281 .8593
1.000 32.27 4.412 .8582 .9500 30.27 4.011 .8695
1.000 32.58 4.086 .8580 .9500 30.64 3.717 .8695
1.000 32.80 3.743 .8487 .9500 30.88 3.405 .8597
1.000 32.92 3.389 .8235 .9500 31.02 3.081 .8322
1.000 32.97 3.028 .7779 .9500 31.07 2.750 .7818
* * *
.9000 26.84 3.968 .8372 .8500 24.37 3.438 .8326
.9000 27.57 3.759 .8644 .8500 25.19 3.263 .8600
.9000 28.12 3.519 .8727 .8500 25.80 3.055 .8669
.9000 28.51 3.255 .8711 .8500 26.21 2.820 .8630
.9000 28.75 2.972 .8560 .8500 26.45 2.567 .8411
.9000 28.87 2.677 .8191 .8500 26.55 2.302 .7923
.9000 28.90 2.376 .7547 .8500 26.56 2.032 .7098
* * *
Продолжение таблицы 7.2
СХЕМА ПЕЧАТИ: NE NEY CE TK ТГ ТГП TT
ПВ ППB GПB PIB NKB MKB DKYB
ПН ППН GПН PIH NKH MKH DKYH
PIKS NKS GB PITB NTB PITH NTH
GT AKC AKS PITC NТC MKC TTK
КПД GT1 LC FC ПТС PE CYE
1 H= .0 MH= .000 TB=288.15 PB= 96258.8 NP.230
.1065E+05 328.3 .1951 719.8 1490. 1080. 796.5
1.000 1.000 32.43 4.262 .8587 5890. .2164
1.000 1.000 32.43 4.590 .8780 4835. .2170
19.30 .8390 32.43 2.317 .8861 1.807 .9269
2078. 3.041 3.041 3.986 .9085 .2118E+05 1080.
.3653 2078. .1345 1.056 1.000 .1619E+06 .1283E-01
2 H= .0 MH= .000 TB=288.15 PB= 96258.8 NP.230
9991. 315.5 .1966 710.6 1461. 1058. 783.8
.9900 .9942 32.24 4.209 .8605 5632. .2217
.9830 .9830 31.67 4.489 .8823 4614. .2124
18.65 .8428 31.67 2.318 .8861 1.807 .9253
1964. 3.140 3.140 3.854 .9114 .1988E+05 1058.
.3626 .0000 .1266 1.087 1.000 .1519E+06 .1293E-01
3 H= .0 MH= .000 TB=288.15 PB= 96258.8 NP.230
9318. 302.0 .1987 701.2 1431. 1036. 771.5
.9800 .9883 32.03 4.155 .8622 5370. .2271
.9664 .9664 30.85 4.383 .8857 4391. .2057
17.97 .8460 30.85 2.318 .8861 1.808 .9239
1852. 3.246 3.246 3.714 .9139 .1854E+05 1036.
.3587 .0000 .1239 1.072 1.000 .1417E+06 .1307E-01
4 H= .0 MH= .000 TB=288.15 PB= 96258.8 NP.230
7994. 274.3 .2043 682.8 1371. 990.5 748.1
.9600 .9765 31.60 4.042 .8652 4853. .2377
.9339 .9339 29.15 4.160 .8899 3952. .1754
16.60 .8506 29.15 2.319 .8862 1.808 .9209
1633. 3.476 3.476 3.430 .9173 .1590E+05 990.5
.3489 .0000 .1162 1.062 1.000 .1216E+06 .1344E-01
5 H= .0 MH= .000 TB=288.15 PB= 96258.8 NP.230
6722. 245.7 .2122 664.5 1311. 945.7 726.2
.9400 .9644 31.14 3.925 .8677 4353. .2483
.9020 .9020 27.36 3.930 .8906 3530. .1435
15.22 .8529 27.36 2.321 .8863 1.809 .9179
1427. 3.736 3.736 3.147 .9181 .1337E+05 945.7
.3359 .0000 .1077 1.058 1.000 .1023E+06 .1395E-01
6 H= .0 MH= .000 TB=288.15 PB= 96258.8 NP.230
6116. 231.2 .2172 655.4 1282. 923.5 715.8
.9300 .9582 30.90 3.865 .8688 4111. .2526
.8864 .8864 26.46 3.813 .8896 3327. .1285
14.55 .8532 26.46 2.321 .8864 1.809 .9165
1328. 3.881 3.881 3.006 .9176 .1217E+05 923.5
.3283 .0000 .1056 1.035 1.000 .9308E+05 .1427E-01
7 H= .0 MH= .000 TB=288.15 PB= 96258.8 NP.230
5236. 208.6 .2270 642.0 1238. 890.3 701.3
.9150 .9489 30.52 3.773 .8702 3762. .2556
.8634 .8634 25.10 3.638 .8863 3035. .1072
13.55 .8525 25.10 2.322 .8865 1.810 .9143
1189. 4.113 4.113 2.789 .9150 .1042E+05 890.3
.3140 .0000 .1280 .7996 1.000 .8006E+05 .1485E-01
8 H= .0 MH= .000 TB=288.15 PB= 96258.8 NP.230
4714. 195.1 .2335 633.0 1209. 869.1 691.3
.9050 .9428 30.28 3.713 .8709 3534. .2576
.8480 .8480 24.16 3.515 .8830 2840. .9426E-01
12.88 .8513 24.16 2.322 .8867 1.807 .9131
1101. 4.275 4.275 2.668 .9123 9379. 869.1
.3053 .0000 .8954E-01 1.093 1.000 .7174E+05 .1535E-01
* * *
Результаты расчета представлены в виде графических зависимостей на рисунках(7.1-7.6)
Рисунок 7.1 – Характеристика КНД
Рисунок 7.2 – Характеристика КВД
Рисунок 7.3 – Зависимость мощности и удельного расхода топлива
от приведенных оборотов вращения ротора ВД
Рисунок 7.4 – Зависимость е и Т*г от приведенных оборотов вращения ротора ВД
Рисунок 7.5 - Зависимость Мкрнд и Мкрвд от приведенных оборотов вращения ротора ВД
Рисунок 7.6 -
Зависимость
и
от
приведенных оборотов вращения ротора
ВД
Газогенератор ТВаД со свободной турбиной имеет один регулирующий фактор Gт, следовательно, перейти с максимального режима на пониженные режимы можно за счет уменьшения расхода топлива.
На рисунке 7.3 представлены зависимости удельного расхода и мощности от приведенных оборотов вращения ротора ВД. Анализируя графики, делаем следующие выводы, что с уменьшением приведенных оборотов эффективный КПД падает. Следовательно, удельный расход топлива Се растет.
8 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВХОДНОГО И ВЫХОДНОГО УСТРОЙСТВ ГТД
При проектировании газотурбинных установок различного назначения и области применения одним из этапов является аэродинамический расчет и профилирование входных и выходных устройств.
При выборе конструктивной схемы и проектировании входных и выходных устройств турбомашин необходимо учитывать требования, обусловленные назначением и соображениями эффективности и надежности машины.
Так, например, к входному устройству предъявляются такие требования как:
обеспечить равномерный поток, как в окружном, так и в радиальном направлениях на входе в компрессор;
подвод воздуха должен осуществляться с минимальными гидравлическими сопротивлениями;
так как во входных устройствах часто располагают передний подшипник, то корпус должен быть достаточно жесткий, чтобы не деформироваться под действием статических и динамических нагрузок на подшипник.
Согласно основным требованиям, предъявляемым к выходным устройствам газотурбинных установок, устройства должны:
обеспечивать отвод рабочего тела из турбомашины в заданном направлении с минимальными аэродинамическими потерями;
обеспечить равномерное поле давлений за последней ступенью турбины;
обеспечить стационарный устойчивый характер течения на всех режимах работы;
обладать высокой жесткостью
Кроме того, выходные устройства должны обеспечить необходимую степень глушения шума, производимого двигателем.
Целью данного расчета является определение геометрических размеров и основных параметров, характеризующих работу входного и выходного устройств.
8.1 Расчет входного устройства
Входные устройства ГТУ предназначены для подачи циклового рабочего тела к компрессору ГТД, с минимальными искажениями полей скоростей и давлений, а так же с минимальными потерями полного давления на входе в компрессор.
Расчет входного устройства ведется с учетом рекомендаций методического пособия [11].
Расчетная схема представлена на рисунке 8.1.
где: Dn – диаметр патрубка;
DK – диаметр коллектора;
Fk – площадь образующего цилиндра на входе с высотой hK;
Do – наружный диаметр проточной части компрессора;
B – ширина патрубка;
ho – высота проточной части компрессора;
hK – осевое расстояние от торцевой стенки патрубка до коллектора;
d – втулочный диаметр;
H – осевая протяженность патрубка;
L – осевая протяженность входного устройства.
Рисунок 8.1 - Расчетная схема входного устройства
Формулы, используемые при расчете:
– относительная
площадь патрубка (степень поджатия
патрубка),
где
;
– степень поджатия
коллектора;
– относительный
диаметр патрубка;
Используемые рекомендации к расчёту:
(принимаем
- 2) при
(примем 3,5);
(примем
1,4);
Относительную
протяженность входного устройства
выбирают в пределах:
(примем 1,7)→
;
радиус скругления коллектора R=0,25D0
Исходные величины выбираются из газодинамического расчёта компрессора:
Do=0,5233 м;
d=0,2041 м;
ho=0,1596м
Определяем осевое расстояние от торцевой стенки патрубка до коллектора
м
Площадь в сечение -0- равна F0= 0,1822 м2
Площади FК и FВХ:
FК=3,5
F0=3,5
0,1822=0,6377
м2
FВХ=3,5 F0=3,5 0,1822=0,6377 м2
Диаметр коллектора определим по формуле:
м
Диаметр патрубка:
Dn = 1,5 Dk = 1,5 0,636 = 0,954 м
Примем В=Dn, тогда:
м
Длинна патрубка:
м
Радиус скругления лемнискаты:
R=0,25 Do=0,25 0,5233=0,1308 м
Схема входного устройства, на основании проведенного расчета приведена на рисунке 8.2.
Полученное входное устройство обеспечивает подачу рабочего тела к компрессору с минимальными искажениями полей скоростей и давлений и минимальными потерями полного давления на входе в компрессор. Степень конфузорности сечения от входного сечения до сечения на входе в компрессор выбрано оптимально, так чтобы обеспечить минимум потерь в патрубке; из тех же соображений рассчитывался и его диаметр.
На этом этапе были заложены параметры, отвечающие геометрическим соотношениям, обеспечивающим равномерность параметров на входе в компрессор и минимальные гидравлические потери.
8.2 Расчет осерадиального выходного устройства
Диффузор – это аэродинамическое устройство, предназначенное для преобразования кинетической энергии потока в потенциальную, с возможно большей эффективностью. Осерадиальный диффузор с промежуточным поджатием потока имеет преимущества связанные с конфузорным характером течения при повороте потока и двумя отдельными участками диффузорного типа. А так же технологические преимущества за счет реализации оборотов диффузора прямыми линиями и дугами окружности.
При проектировании и разработке конструкций выходных патрубков ставится задача получения максимального КПД при выполнении требований к габаритности и других требований, указаных в методическом пособии [10].
Исходными геометрическими данными являются результаты газодинамического расчета турбины, и конструктивные особенности переходного канала к выходному устройству, выбранные из конструктивных соображений.
DН =1,012 – входной диаметр обтекателя, м;
dH =0,766 – входной диаметр обечайки, м;
Для
диффузоров с промежуточным поджатием
оптимальные значения входных углов
наклона образующих обтекателя и обечайки
составляют соответственно
и
.
Следовательно принимаем:
=3,0
– входной угол наклона обтекателя,
град;
=9,0
– входной угол наклона обечайки, град;
– относительный
габарит патрубка;
– удлинение
диффузора;
-
длина диффузора, м;
(1/nпов)min=1,0, (1/nпов)max=1,060 – диапазон оптимальных значений степени конфузорности поворотного участка осерадиального диффузора.
Степень
поджатия потока:
- диаметр обвода боковой стенки патрубка:
.
Конфигурация выхлопных патрубков определяется в основном следующими геометрическими характеристиками:
Расчет осерадиального диффузора выполняем на ЭВМ с использованием программы DIFFUZOR. Программа DIFFUZOR.exe позволяет выполнять расчет по предварительно заданным габаритным размерам диффузора. При этом его проточная часть профилируется с оптимальной степенью конфузорноси на поворотном участке. Кроме того, для диффузора с заданной геометрией программа позволяет определить закон изменения текущей степени расширения по длине его проточной части.
Массив исходных данных и результатов расчета размещен в файле DIFFUZOR.rez. представленном в таблице 8.1.
Таблица 8.1 - Массив исходных данных и результатов расчета
ДАТА: 21 2 7 S= 1.010 Q= 1.060 D1= .76600 D2= 1.01200 L= 1.36600 DK= 1.82100 NP= 3.280 ALFA1= 3.00 R1= .30818 XC1= 1.05782 RC1= .74704 LK= .19696 ALFA2= 9.00 R2= .25682 XC2= .91223 RC2= .91050 FN= .34352
I NS XS RS LS 0 1.00077 .00966 .06142 .00000 1 1.06413 .06713 .06443 .05779 2 1.12883 .12461 .06745 .11558 3 1.19486 .18208 .07046 .17337 4 1.26222 .23956 .07348 .23116 5 1.33091 .29703 .07650 .28895 6 1.40094 .35451 .07951 .34674 7 1.47229 .41198 .08253 .40453 8 1.54498 .46946 .08555 .46232 9 1.61899 .52693 .08856 .52011 10 1.69434 .58440 .09158 .57790 11 1.77102 .64188 .09459 .63569 12 1.84903 .69935 .09761 .69348 13 1.92837 .75683 .10063 .75127 14 2.00904 .81430 .10364 .80906 15 2.09105 .87178 .10666 .86685 16 2.17438 .92925 .10967 .92464 17 2.27151 .99400 .11385 .98983 18 2.53718 1.07772 .12552 1.07513 19 2.96178 1.15604 .13465 1.16241 20 3.25463 1.21554 .13182 1.24992 21 3.22850 1.24905 .11695 1.33655 22 3.15181 1.26270 .10330 1.42003 23 3.28000 1.26752 .09848 1.50029
NPV= 1.033 NS1= 3.255 NS2= 3.152
коэффициент полных потерь= .401 |
Рисунок 8.3 – Изменение степени поджатия потока вдоль проточной части выходного патрубка
Схема проточной части диффузора представлена на рисунке 8.4.
Рисунок 8.4 - Схема проточной части диффузораи маштабом 1:20
В данном разделе курсового проекта был спроектирован выходной патрубок приводного ГТД – осерадиальный диффузор.
Полученное выходное устройство удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к осерадиальным диффузорам: обеспечены оптимальные размеры, а также обеспечиваются минимальные потери и необходимое направление отвода рабочего тела.
ВЫВОДЫ
В результате выполнения проекта на базе прототипа ДН-70 спроектирован приводной ГТД для ЦБН мощностью 10,65 МВт.
В процессе проектирования были решены следующие задачи:
– проведен термогазодинамический расчет, с целью определения удельных параметров;
– согласование параметров компрессоров и турбин;
– проведен газодинамический расчет компресора;
– проведен газодинамический расчет турбины и профилирование лопатки рабочей ступени турбины ВД;
– проведен расчет входного и выходного устройств;
– проведено математическое моделирование дроссельной характеристики.
В результате проведенного термогазодинамического расчёта были получены основные удельные параметры двигателя;
удельная мощность, удельный расход топлива, КПД двигателя на расчетном режиме:
ηе
Сравним полученные данные с прототипом:
ηе
В процессе расчета сформирован облик двигателя. Выбрана конструктивно сложная схема ГТД с двухвальным газогенератором и свободной (силовой) турбиной. Такая схема обеспечивает приемлемые значения параметров на расчетных режимах, и высокие коэффициенты запаса устойчивой работы газогенератора двигателя, требует меньшей мощности запуска. КНД имеет форму проточной части с постоянным наружным диаметром, с 9 ступенями; КВД – с постоянным втулочным диаметром, с 9 ступенями. Между КНД и КВД стоит переходник, в котором расположены силовые стойки. Коэффициенты затраченного напора z КНД = =0,1979, z КВД = 0,2441. ТВД– с постоянным средним диаметром и ТНД- с постоянным средним диаметром , число ступеней Zтвд=1, Zтнд=1. Свободная турбина – с постоянным втулочным диаметром, число ступеней Zтс = 4, коэффициенты загрузки турбины твд = 1,504, тнд = 1,541, тс = 7,070.
Рассчитаны значения: Т, Р, С в основных сечениях двигателя, а также площади этих сечений.
Проведенный расчёт компрессора с использованием ЭВМ позволил получить: геометрические параметры лопаточных венцов проточной части компрессора, изменения Р, Р*, Т, Т* на среднем радиусе каждой ступени, а также работу и степень повышения давления каждой ступени. Кроме того, были уточнены окончательные размеры проточной части.
Все эти данные используются при проектировании решёток профилей многоступенчатого компрессора.
Степень повышения давления к*: *к кнд=4,533, *к квд =4,301, *к =19,3;
Частота вращения: nкнд=11495,3 об/мин, nквд=14451,6 об/мин;
Число ступеней : Zкнд=9, Zквд=9;
Работа компрессора: L*к =447460 Дж/кг;
КПД компрессора: к*= 0,8475.
Расчетные параметры не выходят за установленные пределы:
- угол входа потока
- относительный втулочный диаметр на выходе из компрессора высокого давления
В результате газодинамического расчета турбины определены параметры потока вдоль проточной части по среднему радиусу. Анализ результатов показал, что:
- обеспечено необходимое охлаждение лопаток СА и РК первой ступени турбины высокого давления, а также СА и РК турбины низкого давления;
- на входе в первую ступень ТВД был получен угол α1, который равен α1=16,1˚, входящий в допустимые пределы (α1=15…22º);
- угол выхода потока газа из турбины низкого давления равен 2= 85,9º, что позволяет обеспечить небольшие значения потерь полного давления газа в переходнике между ТНД и ТС, угол выхода потока газа из свободной турбины равен 2= 86,0˚, что позволяет обеспечить минимальные значения потерь полного давления газа в выходном устройств;
- на всех ступенях турбины были получены приемлемые КПД:
= 0,887, = 0,928, = 0,902, = 0,906, =0,911, =0,904;
- коэффициенты загрузки ступеней: =1,52, =1,50, =2,02, =1,99, =1,87, =1,48;
- nтвд=14500 об/мин; nтнд=11500 об/мин; nтс=4800 об/мин;
Для получения приемлемых результатов параметров турбины, геометрические размеры, полученные в процессе согласования компрессора и турбины были уточнены с учетом формы проточной части двигателя-прототипа.
- угол выхода потока газа из турбины равен 2= 86º, что позволяет обеспечить небольшие значения потерь полного давления газа на выходе из турбины;
В процессе профилирования лопатки рабочего колеса ступени турбины высокого давления, были получены значения основных кинематических параметров потока и геометрических параметров решетки профилей в пяти сечениях. По полученным данным построены профиля лопаток по сечениям. Полученные профиля имеют достаточную толщину и диаметр выходной кромки.
Проведенные расчеты характеристики двигателя показали его эксплуатационные качества. Следует отметить, что данный двигатель продемонстрировал удовлетворительные эксплуатационные свойства во всем заданном диапазоне температуры tн .
Полученное входное устройство обеспечивает подачу рабочего тела к компрессору с минимальными искажениями полей скоростей и давлений и минимальными потерями полного давления на входе в компрессор. Степень диффузорности сечения от входного сечения до сечения на входе в компрессор выбрано оптимально, так чтобы обеспечить минимум потерь в патрубке; из тех же соображений рассчитывался и его диаметр.
Спроектированный выходной патрубок приводного ГТД удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к осерадиальным диффузорам: обеспечены оптимальные размеры, а также обеспечиваются минимальные потери и необходимое направление отвода рабочего тела.
Результаты проведенных расчетов являются удовлетворительными и отвечают поставленной задаче на проектирование приводного ГТД.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1.Муравченко Ф.М., Исаков Б.В., Бойко Л.Г., Буслик Л.Н., Смирнов С.А., Чернов С.К. Приводные газотурбинные двигатели. Альбом конструктивных схем - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2006. – 4 с.
2.Герасименко В.П., Павленко Г.В. Выбор параметров и термогазодинамический расчет ТВД, ТВВД и ТВаД. – Х.: ХАИ, 1984 – 60 с.
3. Буслик Л.Н., Ковалев В.И. Согласование параметров и определение основных размеров турбин и компрессоров ГТД. – Х.: ХАИ, 1984– 67 с.
4.Анютин А.Н. Согласование компрессоров и турбины авиационного газотурбинного двигателя. – Х: ХАИ, 1985 – 65 с.
5.Павленко Г.В. Газодинамический расчет осевого компрессора на ЭВМ. – Х.: ХАИ, 1985 – 48 с.
6.Павленко Г.В., Коваль В.А. Газодинамический расчет авиационной турбины на ЭВМ. – Х.: ХАИ, 1985. – 80 с.
7.Коваль В.А. Профилирование лопаток авиационных турбин. – Х.: ХАИ, 1986 – 49 с.
8.Волов А.Г., Дегтярев О.Д., Павленко Г.В.. Исследование эксплуатационных характеристик газотурбинных двигателей. Ч. 1. Газотурбинные установки. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2006. – 57 с.
9. Павленко Г.В. Математическое моделирование авиационных ГТД при исследовании их эксплуатационных характеристик. – Х.: ХАИ, 1986. – 123 с.
10. Волов А.Г. Профилирование выходных устройств компрессоров и турбин. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2006. – 49 с.
11. Буслик Л.Н. Конспект лекций