Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Самарский Государственный аэрокосмический университет
имени академика С.П.Королева»
Кафедра теории двигателей летательных аппаратов
Пояснительная записка к курсовой работе
Термогазодинамический расчет ТРДД НК-86 и газодинамическое проектирование турбины ВД
Выполнил: студент
Проверила: Дмитриева И.Б.
Самара
Кафедра теории двигателей летательных аппаратов
ЗАДАНИЕ
на курсовую работу по теории авиационных двигателей
Студент группа .
Руководитель работы Дмитриева Ирина Борисовна .
Дата выдачи Срок защиты ______________________
Двигатель-прототип НК-86 .
Тип двухвальный ТРДД со смешением потоков .
Страна СССР .
Содержание работы:
-
Выполнить проектный термогазодинамический расчет ТРДД.
-
Провести проектный расчет основных параметров каскада ВД.
-
Провести термодинамический расчет последней ступени ТВД.
-
Выполнить газодинамический расчет ступени на среднем диаметре.
-
Провести газодинамический расчет ступени по высоте лопатки (во втулочном и периферийном сечениях).
-
Построить решетку профилей на среднем диаметре, во втулочном и периферийном сечениях.
Изменение параметров по сравнению с двигателем - прототипом и дополнительные данные:
π*К Σ = 12,9 T *Г = 1172 К UТВД = 365 м/с zТВД = 1
π*В II = 2,03 G В Σ = 288 кг/с UТНД = 2351 м/с zТНД = 2
π*Квд = 4,1 P Σ =130 кН У*ТВД = 0,510 z В = 2
m = 1,18 У*ТНД = 0,486 zКВД = 6
РЕФЕРАТ
Курсовой проект.
Пояснительная записка: 46 листа, 3 рисунка, 5 источников, 5 приложений.
ДВИГАТЕЛЬ, КОМПРЕССОР НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ, КОМПРЕССОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, КАМЕРА СГОРАНИЯ, ТУРБИНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ТУРБИНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ, КАМЕРА СМЕШЕНИЯ, СОПЛО РЕАКТИВНОЕ, МЕРИДИОНАЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
В данной работе выполнен поверочный термогазодинамический расчет ГТД НК-86, проектный расчет основных параметров турбины высокого давления, газодинамический расчет турбины высокого давления, построены треугольники скоростей, и меридиональная форма проточной части турбины ВД.
Были получены параметры, характеризующие основные узлы двигателя: компрессор наружного контура (вентилятор), компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, камера смешения, реактивное сопло, а также удельные параметры двигателя.
Содержание
Введение
1 Информация о прототипе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Проектный термогазодинамический расчет ТРДД
2.1 Поверочный термогазодинамический расчет двухвального ТРДД. . . . . .. . . . . . . . . . .
2.1.1 Компрессор наружного контура (вентилятор). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Компрессор низкого давления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Компрессор высокого давления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Камера сгорания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.5 Турбина высокого давления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.6 Турбина низкого давления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.7 Камера смешения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.8 Реактивное сопло. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.9 Удельные параметры двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Проектный расчет основных параметров турбины высокого давления
3.1 Расчет диаметральных размеров турбины высокого давления. . . . . .. . . . . . . . . . . . .
3.2 Построение меридионального сечения проточной части турбины высокого давления. . .
4 Газодинамический расчет турбины высокого давления
4.1 Распределение теплоперепада между ступенями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Расчет ступени по среднему диаметру. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Параметры потока за сопловым аппаратом. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Параметры потока на выходе из рабочего колеса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Расчет эффективной работы ступени с учетом потерь на трение диска и в радиальном зазоре. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Расчет параметров потока на различных радиусах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет параметров потока на входе в РК в контрольных сечениях:
втулочное сечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
периферийное сечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет параметров потока на выходе из РК в контрольных сечениях:
втулочное сечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
периферийное сечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. Профилирование лопаточных венцов рабочих колес. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .
Заключение
Список использованных источников
Введение
Термогазодинамический расчет ТРДД со смешением потоков - это начальный этап проектирования рабочего процесса ГТД: по заданным параметрам цикла, которые представлены в приложении А и Б, определяются удельные параметры Суд и Руд, а также оцениваются тяга и полный расход воздуха Gв ∑.
Проектный расчет проточной части ТРДД является следующим этапом проектирования двигателя. На этом этапе определяются основные конструктивно-геометрические параметры проточной части ТРДД, необходимые для следующего, более детального проектирования компрессора, турбины и камеры сгорания.
В процессе расчета турбокомпрессора согласовываются диаметры и проходные сечения компрессора и турбины, необходимая частота вращения и число ступеней, рассчитывается и строится меридиональное сечение их проточных частей.
Конструктивная схема проточной части ТРДД задана на основе прототипа НК-86.
В данном проекте рассчитана и построена проточная часть турбины ВД двигателя «НК-86», вычерчены треугольники скоростей на выходе из РК для трех сечений: на среднем диаметре, втулочном и периферийном, выполнено построение контура профиля лопаток РК для всех трех сечений.
2 Проектный термогазодинамический расчет ТРДД
2.1 Поверочный термогазодинамический расчет двухвального ТРДД
Расчет производится по методике [4]. В качестве прототипа принимается двигатель НК-86. Основные исходные данные (параметры цикла):
суммарный расход воздуха GВ Σ = 288,0 кг/с;
суммарная тяга двигателей P Σ =130 кН;
степень двухконтурности m = 1,18;
температура газа перед турбиной T*Г = 1172,0 К;
степень повышения давления в вентиляторе π*В = 2,03;
суммарная степень повышения давления π К Σ = 12,9.
Дополнительные данные:
Компрессор Камера сгорания Турбина
πкнд = 3,16 zВ = 2 ТГ* = 1172 К η *ТВд = 0,9300 ; η *ТНд = 0,9290
πКвд = 4,1 zКВД = 6 η Г = 0,995 ηmВд = 0,9950 ;ηmНд = 1,00
η*в = 0,846 σК.С. = 0,9450 UТВДср = 365м/с ; UТНДср = 235 м/с
η *кНд = 0,865 zТВД = 1 ; zТНД = 2
η *КВД = 0,874 У*ТВД = 0,510 ; У*ТНД = 0,486
Реактивное сопло Переходники
φсi = 0,985 σi = 0,982
σп.к = 1,00
2.1.1 Компрессор наружного контура (вентилятор).
1. Расход через наружный контур:
2. Степень повышения давления в вентиляторе:
3. Уточняется КПД вентиляторных ступеней. Из таблице 1 [4] по величине π*В II определя-ется тип ступени вентилятора. Затем из рисунка 1 [4] по и найденному значению η *ст находится величина η *в .
Ступень сверхзвуковая, принимается:
4. Давление за вентилятором:
5. Работа сжатия воздуха в вентиляторе:
где
6. Температура воздуха на выходе из вентилятора:
2.1.2 Компрессор низкого давления
7. Расход воздуха через внутренний контур:
8. Степень повышения давления в контуре (задана):
9. КПД компрессора НД (задан):
10. Работа сжатия воздуха в компрессоре НД:
11. Температура воздуха на выходе из компрессора НД:
12. Давление воздуха на выходе из компрессора НД:
2.1.3 Компрессор высокого давления
13. Давление на входе в компрессор ВД:
14. Температура на входе в компрессор ВД:
15. Степень повышения давления в компрессоре ВД (задана):
16. КПД компрессора ВД (задан):
17. Работа сжатия в компрессоре ВД:
18. Температура воздуха на выходе из компрессора ВД:
19. Давление на выходе из компрессора ВД:
2.1.4 Камера сгорания
20. Температура газа перед турбиной (задана):
21. Коэффициент полноты сгорания топлива (задан):
22. Величина относительного расхода топлива:
,
где Gm - расход топлива кг/с.
qm0 = 0,015 - определяется по рисунку 2 [4] в зависимости от Т*КВД и Т*Г .
23. Величина коэффициента избытка воздуха:
24. Расход воздуха через камеру сгорания:
где
-
относительный расход воздуха на
охлаждение деталей турбины высокого
давления, определяется по рисунку 3 [4]
в зависимости от Т *Г
.
25. Расход топлива:
26. Коэффициент восстановления полного давления в КС (задан):
2.1.5 Турбина высокого давления
27. Давление на выходе из КС:
28. Расход газа через турбину ВД:
29. Работа, совершаемая газом в турбине ВД:
принимается
30. Температура газа за турбиной ВД:
где
31. КПД турбины ВД (задан):
32. Степень понижения давления в турбине:
33. Давление газа на выходе из турбины ВД:
2.1.6 Турбина низкого давления.
34. Расход газа через турбину НД:
принимается
[4],
т.е. турбина не охлаждается, так как
35. Работа газа, совершаемая в турбине НД:
36. КПД турбины НД (задан):
37. Степень понижения давления в турбине НД:
38. Давление за турбиной НД:
39. Температура газа за турбиной НД:
2.1.7 Камера смешения
40. Температура газа в конце камеры смешения:
41. Давление газа в конце камеры смешения:
2.1.8 Реактивное сопло.
42. Расход газа через сопло:
43. Степень понижения давления в реактивном сопле:
44. Скорость истечения газа из реактивного сопла:
45. Приведенная скорость на выходе из сопла:
46. Величина эффективной площади выходного сечения сопла:
принимается q(λc ) = 0,9972 - из таблиц ГДФ для k = 1,33
2.1.9 Удельные параметры двигателя
47. Величина удельной тяги:
48. Удельный расход топлива:
49. Часовой расход топлива:
Расчетное значение удельной тяги двигателя PУД = 0,41767 кН/кг ∙с -1 отличается от
данных прототипа (PУД = 0,4424 кН/кг∙с -1), взятого из приложения Б , на величину:
так как
,
то расчетное значение удельной тяги
принимается как верное.
Расчетное значение удельного расхода топлива CУД = 57,828 кг/ кН ∙ч отличается от дан-ных прототипа (CУД = 54,0194кг/ кН ∙ч), взятого из приложения Б , на величину:
так как
,
то расчетное значение удельного расхода
топлива принимается как верное.
Расчетное значение суммарной тяги двигателя:
Расчетное значение суммарной тяги двигателя P = 120,2895 кН отличается от заданного (P∑ = 127,3981 кН), взятого из задания на курсовой проект, на величину:
так как
,
то расчетное значение суммарной тяги
принимается как верное.
3 Проектный расчет основных параметров турбины высокого давления
3.1 Расчет диаметральных размеров турбины высокого давления [5].
1. Величина отношения Dср / h2 :
где h2 - высота рабочих лопаток на выходе из турбины ВД;
εТ - параметр напряжений, в пределах (13 . . . 18) ·10 3 м 2 / с 2.
2. Определяется приведенная скорость λ0 ,относительно величины осевой скорости газа на входе в турбину С0 = (110 . . . 180) м/с:
принимается С0 = 140 м/с
;
Определяется кольцевая площадь на входе в СА турбины ВД:
3. Кольцевая площадь на выходе из турбины.
принимается c2a /c0 = 1,5 из интервала 1,2…1,9, тогда:
Определяется значение λС2а :
;
.
т.о. величина кольцевой площади на выходе из турбины ВД:
4. Высота рабочей лопатки на выходе из турбины:
5. Средний диаметр на выходе из турбины:
6. Периферийный диаметр на выходе из РК:
7. Втулочный диаметр на выходе из РК:
8. Высота сопловой лопатки на входе в турбину.
Задаёмся законом D cp = const,
9. Определяется периферийный диаметр СА на входе в турбину:
10. Определяется втулочный диаметр СА на входе в турбину:
11. Определяется частота вращения ротора турбины ВД:
3.2 Построение меридионального сечения проточной части турбины высокого давления
Ширину лопаток СА и РК ступеней находим из соотношения:
Sвт = к·Dср ,
где кСА = 0,055...0,065, кРК = 0,04...0,05.
для расчета принимается кСА = 0,06, кРК = 0,045.
12. Ширина венца СА первой ступени:
13. Ширина венца РК первой ступени:
14. Осевой зазор между СА и РК из соотношения:
Определяется осевой зазор между СА и РК первой ступени:
15. Радиальный зазор между торцами перьев лопаток и корпусом:
находится в интервале 0,8…1,5 мм,
принимается
.
По результатам расчетов строится меридиональное сечение проточной части турбины
Меридиональная форма проточной части турбины ВД в масштабе 1:1 представлена в приложении В.
4 Газодинамический расчет турбины высокого давления
Распределение теплоперепада L*СТ_i по ступеням осуществляются из условия обеспечения оптимальных значений параметра y*ст_i . В этом случае величина L*ст_i должна изменяться от ступени к ступени, исходя из соотношения L*ст_i ≈ constD 2ср_i .
Расчёт распределение теплоперепада между ступенями осуществляется следующим образом.
4.1 Распределение теплоперепада между ступенями
Термодинамические параметры рабочего тела на входе и выходе из ступеней [5].
20. Среднее значение теплоперепада на одну ступень:
21. Выбирается величина степени реактивности на среднем диаметре.
Задаемся величиной степени реактивности у втулки лопатки вт = 0,05 - 0,20, обеспечивающей наибольшую экономичность
принимается вт = 0,20 [5]
по графику рисунка 2 [5] , принимается ст. ср = 0,3.
22. Параметры термодинамического состояния газа на входе в последнюю ступень:
;
[1];
;
;
[1]
23. Величина изоэнтропической работы в ступени при расширении газа до давления P*2:
в первом приближении принимается
[5]
24. Параметры термодинамического состояния газа на выходе из ступени при условии изоэнтропического расширения до давления P*2 :
;
[1]
25. Степень расширения газа в ступени, вычисленная по полным давлениям:
.
26. Полное давление на входе в ступень:
27. Выбирается величина угла наклона потока из РК:
из интервала - α2 = 80…85 принимается α2 = 85 [5]
28. Газодинамические функции на выходе из ступени:
;
;
[1]
29. Статическое давление за ступенью:
30. Термодинамического параметры потока на выходе из ступени при условии изоэнтропического расширения до давления P2 :
;
[1]
31. Величина изоэнтропической работы в ступени при расширении газа до давления P2 :
4.2 Расчет ступени по среднему диаметру
4.2.1 Параметры потока за сопловым аппаратом
32. Изоэнтропическая скорость истечения газа из СА:
33. Приведенная изоэнтропическая скорость потока на выходе из СА:
34. Выбирается коэффициент скорости СА из диапазона = 0,96...0,98.
принимается = 0,97 [5].
35. Определяются газодинамические функции потока на выходе из СА:
;
.
36. В зависимости от величин λC 1S и определяется коэффициент восстановления полного давления σСА с помощью графика на рисунке 3 [5]:
принимается σСА = 0,963.
37. Угол выхода потока из сопловых лопаток:
,
где h1л = 0,044 - берется на соответствующем сечении меридиональной формы проточной части турбины высокого давления (приложение В)
38. В зависимости от λС 1S и α1 находится угол отклонения потока в косом срезе СА δα с помощью графика на рисунке 4 [5]:
принимается δα = 0,2°
39. Эффективный угол на выходе из сопловой решетки:
α1 эф = α1 - δα1 =17,76 - 0,2=17,56
40. В зависимости от (α0 - α1 ) , находится угол установки профиля в решетке γ по графику рисунка 5 [5]:
из расчета (α0 - α1 ) = 85-17,56=67,24 принимается γ = 41
41. Хорда профиля лопатки СА:
42. В зависимости от α0 и
α1 определяется значение
оптимального относительного шага
по графику рисунка 6 [5]:
принимается
43. Оптимальный шаг решетки СА в первом приближении:
44.Оптимальное число лопаток СА:
,
где
,
тогда
принимается zCA opt = 40.
45. Окончательное значение оптимального шага лопаток:
46. Определяется величина горла канала:
47. Параметры термодинамического состояния газа на выходе из СА при условии изоэнтропического расширения в сопловой решетке:
;
[1]
48. Статическое давление в зазоре между СА и РК:
49. Действительная скорость газа на выходе из СА:
50. Термодинамические параметры потока газа на выходе из СА:
;
Т1 = 1010,4К ; π(T1 ) = 131,7 [1]
51. Плотность газа на выходе из СА:
где R = 0,287 кДж/ кг - газовая постоянная для продуктов сгорания керосина.
52. Осевая и окружная составляющие скорости потока на выходе из СА:
;
53. Окружная составляющая относительной скорости на входе в РК:
54. Угол входа потока в РК в относительном движении:
;
.
Для данного расчета w1u > 0, т.о.
55. Относительная скорость потока на входе в РК:
;
Для данного расчета β1 < 90, т.о.
56. Рассчитываются термодинамические параметры газа на входе в РК:
;
Т*w1 = 1045,4 К; π(T*w1 ) = 150,8 [1]
57. Приведенная скорость потока в относительном движении:
58. Полное давление в относительном движении потока:
4.2.2 Параметры потока на выходе из рабочего колеса
59. Термодинамические параметры потока:
По термодинамическим функциям определяются:
Т2S = 937,8 К; i2S =993,7 кДж/кг [1]
60. Изоэнтропическая скорость потока в относительном движении:
61. Приведенная изоэнтропическая скорость потока в относительном движении:
62. Скорость потока в относительном движении:
где = 0,96 [5] коэффициент скорости РК
соответственно q( λw2 ) = 0,96182 [1].
63. В зависимости от значений = 0,96 и λ W2S = 0,854047617 определяется коэффициент восстановления полного давления σРК по графику рисунка 3 [5]:
σРК =0,965
64. Угол выхода потока из РК в относительном движении:
65. В зависимости от значений λ W2S = 0,854047617 и β2 = 26,12 находится значение угла отклонения в косом срезе рабочих лопаток по графику рисунка 4 [5]:
принимается δβ2 = 0,8°
66. Эффективный угол на выходе из РК:
β2 эф = β2 - δβ2 =26,12 - 0,8=25,32
67. В зависимости от разности углов β1 - β2 = (40,92°-26,12°) = 14,8° находится установка профиля в рабочей решетке по графику рисунка 5 [5]:
принимается γ = 66°
68. Хорда профиля лопатки РК:
69. В зависимости от значений β1 = 40,92° и β2 =26,12° находится оптимальный относительный шаг решетки РК по графику рисунка 6 [5]:
принимается
70. Оптимальный шаг решетки РК в первом приближении:
71. Оптимальное число лопаток РК:
,
где
,
тогда
принимается zCA opt = 91.
72. Окончательное значение шага рабочей решетки:
73. Величина горла канала рабочих лопаток:
74. Относительная скорость на выходе из РК:
75. Энтальпия и температура газа на выходе из РК:
;
Т2 = 946,2 К ; π(T2 ) = 101,7[1]
76. Плотность газа на выходе из РК:
77. Осевая и окружная составляющие относительной скорости:
;
78. Окружная составляющая абсолютной скорости потока за РК:
79. Абсолютная скорость газа за РК:
80. Угол выхода потока из РК в абсолютном движении:
;
.
Для данного расчета w2u > u 2ср , т.о. :
81. Полная энтальпия газа за РК:
.
4.2.3 Расчет эффективной работы ступени с учетом потерь на трение диска и в радиальном зазоре
Чтобы определить эффективную работу ступени L*ст , необходимо учесть потери энергии, связанные с утечками рабочего тела в радиальный зазор и трением диска ступени о газ.
Для этого определяется:
82. Удельная работа газа на лопатках РК:
83. Потери на утечку.
В конструкциях современных турбин ГТД для снижения утечек обычно на рабочих колесах применяются бандажи с лабиринтными уплотнениями.
Утечки через такие уплотнения определяются по следующей формуле:
где
-
коэффициент расход лабиринтного
уплотнения, в диапазоне 0,6…0,8 [5];
-
площадь зазора в уплотнении;
-
давление и плотность на среднем диаметре
на входе в РК;
-
число гребешков в уплотнении, значение
в диапазоне 2…4;
-
отношение давлений на уплотнении.
Площадь зазора в уплотнении определяется из выражения:
Для примера расчёта значение
;
величина
,
тогда
Для определения давления р1n сначала находятся изоэнтропическая приведенная скорость потока на входе в РК на периферийном диаметре:
и газодинамическая функция
,
тогда давление на периферии:
Теперь находится отношение давлений на уплотнении:
Таким образом, для данного расчёта утечки через лабиринтное уплотнение будут равны:
Потери на утечки теперь определяются из выражения:
84. Потери энергии на трение диска ступени о газ:
,
где
берется с чертежа меридиональной формы
проточной части турбины ВД.
85. Суммарная потеря энергии:
86. Полная энтальпия газа на выходе из РК с учетом потерь на утечки и трение диска:
87. Энтальпия газа по статическим параметрам на выходе из РК с учетом потерь на трение диска и утечки:
88. Полное давление газа на выходе из РК с учетом потерь на утечки и трение диска:
89. Действительная эффективная работа ступени:
89 ’. Действительный КПД ступени:
Величина
определяется с помощью термодинамических
функций по
:
;
;
90. Отличие действительной эффективной работы от заданной:
,
что составляет 0,60%
так как действительная работа отличается от заданной менее чем на 3%, следовательно, расчет ведется правильно.
4.3 Расчет параметров потока на различных радиусах
Расчёт параметров по высоте лопатки при законе закрутке α = const