1.3.2 Образмеривание циклограммы работы двигателя
Таблица 5 - Тяговые характеристики двигателя
№ точки |
H,км |
M |
P,кН |
0 |
0 |
0 |
120,83 |
1 |
0 |
0.4 |
120,83 |
2 |
11 |
2 |
38,01 |
3 |
11 |
0.8 |
38,01 |
4 |
18 |
2.7 |
35 |
5 |
18 |
2.7 |
35 |
6 |
10 |
0.7 |
52,01 |
7 |
10 |
0.7 |
52,01 |
8 |
0 |
0 |
120 |
Полная и краткая таблицы характеристик режимов представлены в приложении.
Рисунок 2 - Профиль полёта и циклограмма работы двигателя
1.4 Газодинамическое проектирование
К особенностям расчёта меридионального сечения КНД можно отнести то, что площади на выходе определяются отдельно для каждого из контуров. Потери осевой скорости учитываются только для наружного. Также выбора окружной скорости ротора НД будет зависеть число ступеней и радиальное положение лопаточных венцов соответствующей турбины.
Для эффективной работы узлов турбокомпрессора необходимо, чтобы рабочее тело плавно перетекало в каждый последующий узел, то есть недопустима большая радиальная неравномерность в их расположении относительно друг друга (особенно данное обстоятельство касается турбин).
По результатам расчёта основных геометрических параметров определяются длины и ширины лопаточных венцов, а также осевые зазоры между ступенями, после чего строится схема проточной части двигателя. Результаты расчёта приведены далее в таблицах.
Таблица 6 – Рассчитанные параметры ВД
На ТВД задаётся постоянство среднего радиуса, на КВД – постоянство втулочного.
Таблица 7 – Рассчитанные параметры НД
Рисунок 3 – Предварительный вид проточной части меридионального сечения КНД
На первом этапе расчёта определяется средний КПД компрессора с использованием термогазодинамических функций. Далее, исходя из полученного среднего значения, КПД распределяется по ступеням.
На
втором этапе происходит распределение
работ сжатия по ступеням с учётом
сохранения постоянной суммарной работы
сжатия в компрессоре. Важным элементом
распределения является назначение
относительных работ сжатия в ступенях,
так как этот коэффициент определяет
тип, а соответственно, и особенности
ступени. В данном расчёте:
Такое распределение свидетельствует о высокой нагруженности всех ступеней, первая из которых сверхзвуковая. Далее по полученному распределению напоров по ступеням определяются термодинамические параметры за- и перед соответствующей ступенью. В данной работе принимается, что полная энтальпия перед элементом ступени (РК или НА) равна соответствующему параметру за впереди расположенным элементом. Стоит отметить, что расчёт термодинамических параметров первой ступени проводился для случая с неравномерным напором по высоте ступени. Данная часть расчёта является первым этапом дальнейшего расчёта параметров воздушного потока на различных радиусах, который выполняется позднее. Следующим этапом расчёта является определение закрутки потока перед ступенями с предварительным назначением степени реактивности. По полученным значениям закрутки и произвольно выбранному закону снижения осевой составляющей абсолютной скорости по длине компрессора (но не более 15% от начального значения) определяются углы закрутки потока перед ступенью в абсолютном движении. А по полученным значениям скоростей и углов проводится уточнение параметров проточной части, а именно площадей, однако в данной работе этими изменениями можно пренебречь. Далее определяются различные составляющие скоростей потока на входе и выходе из РК, углы закрутки потока в относительном и абсолютном движении, а по их изменению в каждой из ступеней определяются предельно допустимые густоты решёток на среднем радиусе. Далее в таблице представлены рассчитанные параметры.
Таблица 8 – Основные параметры воздушного потока в КНД на среднем радиусе
|
Ст1 |
Ст2 |
Ст3 |
Ст4 |
ηсрНД |
0.89 |
0.89 |
0.89 |
0.89 |
ηст |
0.86 |
0.88 |
0.9 |
0.92 |
Hzотн |
0.26 |
0.28 |
0.32 |
0.35 |
Dк,м |
0.807156 |
0.75262 |
0.70244 |
0.65894 |
Hz,кДж/кг |
56.855 |
53.234 |
52.997 |
51.008 |
πст |
1.696357 |
1.576212 |
1.504852 |
1.416606 |
рст(за),кПа |
168.447 |
265.508 |
399.550 |
566.004 |
KH |
1 |
1 |
1 |
1 |
Ht |
0.5167 |
0.504 |
0.5017 |
0.2829 |
ρст |
0.7 |
0.65 |
0.63 |
0.6 |
c1u |
13.53 |
31.85 |
38.71 |
51.52 |
c1a |
200 |
198 |
197 |
196 |
α1 |
86.13 |
80.86 |
78.88 |
75.27 |
F',м^2 |
0.4286 |
0.2937 |
0.2063 |
0.1525 |
F,м^2 |
0.4362 |
0.3022 |
0.1999 |
0.1294 |
w1u,м/с |
311.47 |
293.15 |
286.28 |
273.47 |
β1 |
32.71 |
34.04 |
34.53 |
35.63 |
Tw,К |
336.35 |
383.47 |
422.05 |
463.05 |
λw1 |
1.192 |
1.066 |
0.998 |
0.921 |
c2u,м,/с |
181.47 |
195.65 |
201.78 |
208.47 |
c2a,м/с |
199 |
197.5 |
196.5 |
195 |
w2u,м/с |
143.53 |
129.35 |
123.22 |
116.53 |
β2 |
54.2 |
56.78 |
57.91 |
59.14 |
α2 |
47.64 |
45.27 |
44.23 |
43.09 |
λc2 |
0.797 |
0.778 |
0.743 |
0.698 |
ϫβ |
21.49 |
22.74 |
23.37 |
23.51 |
ϫα |
33.22 |
33.61 |
31.03 |
46.91 |
В таблице параметры с индексом 1 – входные, а с индексом 2 – выходные.
Анализируя полученные результаты, можно отметить следующие особенности ступеней. Во-первых, значения приведённых скоростей на входе в РК в относительном потоке характеризуют тип ступени. Первая, как уже отмечалось выше, сверхзвуковая. Вторая и третья – трансзвуковые. Последняя - переходная между до- и трансзвуковым типами. Предельная густота решётки будет наибольшей для последней ступени (примерно 1,7) из-за большого поворота потока в НА, однако данное значение густоты допустимо для сильно нагруженных ступеней.
Так как первая вентиляторная ступень выполнена с малым относительным втулочным диаметром (0.39), а изменение окружной скорости по высоте значительно, равномерность напора в радиальном направлении будет приводить к недопустимо малым его величинам на периферии, что повлияет на эффективность компрессора в целом за счёт увеличения по радиусу осевой составляющей скорости потока. Также могут возникнуть недопустимые углы закрутки потока на втулке. Таким образом, возникает необходимость задания неравномерного напора по высоте лопатки. В данной работе закон изменения напора был задан произвольно по линейной зависимости. Далее был выбран закон закрутки «твёрдого тела» в соответствии с которым определялись значения составляющих абсолютных и относительных скоростей. Дальнейший порядок расчёта аналогичен предыдущему пункту. Стоит отметить, что расчёт был выполнен без учёта кривизны линий тока, проходящих через ступень. А выходные диаметры РК были со схемы проточной части. Расчёт проводился в пяти характерных сечениях с относительными высотами лопаток: 0; 0.25; 0.5; 0.75; 1. Входные радиусы были пересчитаны для увеличения точности расчёта под значение уточнённой площади, найденной в прошлом пункте. Далее в таблице представлены полученные при расчёте значения.
Таблица 9 – Параметры потока на различных радиусах первой ступени
|
Втулка |
Сеч.№1 |
Середина |
Сеч.№2 |
Периферия |
r1,м |
0,156442 |
0,208839 |
0,278787 |
0,334411 |
0,401132 |
r1отн,м |
0,561151 |
0,7491 |
1 |
1,19952 |
1,438849 |
r2,м |
0,16876 |
0,217567 |
0,28049 |
0,331683 |
0,39222 |
r2отн,м |
0,601661 |
0,775668 |
1 |
1,182514 |
1,398339 |
ηст |
0,7998 |
0,86 |
0,86 |
0,86 |
0,7568 |
Hz,кДж/кг |
36 |
45,2905 |
54,581 |
63,8715 |
73,162 |
Т(за),К |
322,7 |
332 |
341,2 |
350,4 |
359,7 |
πст |
1,398 |
1,8741 |
2,0397 |
2,2157 |
2,21 |
рст(за),кПа |
138,824 |
154,771 |
168,447 |
182,981 |
182,511 |
U1,м/с |
182,37 |
243,46 |
325 |
389,84 |
467,63 |
U2,м/с |
195,54 |
252,09 |
325 |
384,32 |
454,46 |
c1u,м/с |
7,59 |
10,13 |
13,52 |
16,23 |
19,47 |
c2u,м/с |
191,86 |
189,45 |
181,47 |
182,66 |
181,02 |
с1а,м/с |
200,63 |
200,4 |
200 |
199,6 |
199,02 |
с2а,м/с |
207,12 |
204,15 |
199 |
194,06 |
187,42 |
α1 |
87,83 |
87,1 |
86,13 |
85,35 |
84,41 |
α2 |
47,29 |
47,14 |
47,64 |
46,73 |
45,99 |
с1,м/с |
200,77 |
200,66 |
200,46 |
200,26 |
199,97 |
с2,м/с |
281,87 |
278,51 |
269,32 |
266,5 |
260,56 |
λс1 |
0,646 |
0,646 |
0,645 |
0,645 |
0,644 |
λс2 |
0,857 |
0,835 |
0,797 |
0,778 |
0,751 |
w1u,м/с |
174,78 |
233,32 |
311,47 |
373,62 |
448,16 |
w2u,м/с |
4,35 |
62,65 |
143,53 |
201,66 |
273,44 |
β1 |
48,94 |
40,66 |
32,71 |
28,11 |
23,94 |
β2 |
88,8 |
72,94 |
54,2 |
43,9 |
34,43 |
w1,м/с |
266,08 |
307,57 |
370,15 |
423,6 |
490,36 |
w2,м/с |
207,16 |
213,55 |
245,36 |
279,86 |
331,51 |
Tw,K |
303,33 |
315,2 |
336,35 |
357,5 |
387,93 |
λw1 |
0,835 |
0,947 |
1,103 |
1,224 |
1,361 |
ϫβ |
39,86 |
32,28 |
21,49 |
15,79 |
10,48 |
Рисунок 4 – Меридиональный профиль лопатки
Рисунок 5 – График изменения площади от втулки к периферии
Рисунок 6 – Характеристика КНД
На характеристике – л.с.р. 1 построена в программе «Астра», а л.с.р. 2 – вручную.