Предварительный проектный расчет турбокомпрессора гту по третьей схеме

Методика проектного расчета турбокомпрессора ГТУ написана на основе [1, 2]. Расчет ведется со стороны компрессора низкого давления и выполняется проверочный расчет турбины низкого давления с последующей корректировкой принятых исходных данных. После этого рассчитывается турбина высокого давления и затем компрессор высокого давления. Следует иметь ввиду, что принимать решения по проектному расчету турбокомпрессора необходимо по прорисованной меридиональной форме проточной части.

Для получения высокого КПД компрессора НД целесообразно выполнить его дозвуковым. Однако если двигатель делается на базе авиационного прототипа, то КНД может быть с первой сверхзвуковой ступенью. Некоторые параметры КНД приведены в табл.П.VI.1.

Таблица П.VI.1.

Некоторые параметры компрессора низкого давления ГТД

Тип компрессора	Окружная скорость на периферии 1 рабочего колеса, м/с	Осевая скорость на входе в 1 рабочее колесо, м/с	Приведенная осевая скорость на входе в 1 рабочее колесо	Средний КПД ступени	Относительный диаметр втулки на входе в 1 рабочее колесо
Дозвуковой	300 – 350	160 – 180	0,52 – 0,58	0,88 – 0,91	0,5 – 0,7
Сверхзвуковой	350 - 430	180 - 220	0,58 – 0,7	0,87 -0,89* 0,88 -0,91	0,4 – 0,7

Примечание: * КПД сверхзвуковой ступени

Обычно компрессор высокого давления выполняется дозвуковым, что обеспечивает его высокий КПД. Нагрев воздуха в КНД позволяет получить высокие физические окружные скорости на периферии 1 рабочего колеса КВД при дозвуковой первой ступени. Ограничение окружной скорости будет связано с прочностными характеристиками материала лопаток компрессора.

Однако КВД может быть выполнен и сверхзвуковым. Некоторые параметры КВД приведены в табл.П.VI.2.

Таблица П.VI.2.

Некоторые параметры компрессора высокого давления ГТД

Тип компрессора	Приведенная окружная скорость на периферии 1 рабочего колеса, м/с	Осевая скорость на входе в 1 рабочее колесо, м/с	Приведенная осевая скорость на входе в 1 рабочее колесо	Средний КПД ступени	Относительный диаметр втулки на входе в 1 рабочее колесо
Дозвуковой	300 – 350	160 – 180	0,52 – 0,58	0,88 – 0,91	0,5 – 0,7
Сверхзвуковой	350 - 430	180 - 220	0,58 – 0,7	0,87 -0,89* 0,88 -0,91	0,4 – 0,7

Проектирование КНД и ТНД

1. Назначаем величину приведённой скорости на входе в компрессор и определяем потребную аксиальную площадь на входе в двигатель на основании уравнения расхода

=

где ,

;

,

,

2. Задаем относительный диаметр втулки на входе в 1 рабочее колесо КНД:

и определяем диаметральные размеры 1 рабочего колеса КНД на входе:

, .

=1,213 м, м.

Средний диаметр на входе в компрессор:

.

м.

Высота первой рабочей лопатки на входе в компрессор:

. м.

3. Задаем средний коэффициент затраченного напора компрессора и окружную скорость на периферии 1 рабочего колеса . Из ТГД расчета =224967 дж/кг. Отсюда число ступеней компрессора будет равно:

,

.

Принимаем .

Уточненное значение среднего коэффициента затраченного напора компрессора будет равно:

4. Для определения аксиальной площади проточной части на выходе из компрессора назначаем величину приведённой скорости на выходе из компрессора

,

где ,

,

.

5. Поскольку возможная высота СА последней ступени КНД неизвестна, предлагается последовательно вычислить её для трех вариантов формы проточной части компрессора и потом выбрать наиболее подходящую.

5.1. Задаем проточную часть с постоянным наружным диаметром . Тогда диаметр втулки на выходе из компрессора:

м

5.2. Высота СА последней ступени компрессора будет равна:

.

м.

5.3. Средний диаметр компрессора на выходе вычислим по формуле:

м.

4. Относительный диаметр втулки компрессора на выходе найдем из выражения:

4. Задаем проточную часть с постоянным втулочным диаметром . Тогда диаметр втулки на выходе из компрессора:

. м.

4. Наружный диаметр компрессора на выходе найдем по формуле:

.

м.

4. Высота СА последней ступени компрессора будет равна:

.

м.

4. Средний диаметр компрессора на выходе вычислим по формуле:

.

м.

4. Относительный диаметр втулки компрессора на выходе найдем из выражения:

.

.

4. Задаем проточную часть с постоянным средним диаметром

5. Средний диаметр компрессора на выходе будет равен:

.

м.

4. Высота СА последней ступени компрессора будет равна:

.

м.

4. Наружный диаметр компрессора на выходе найдем по формуле:

.

м.

4. Диаметр втулки на выходе из компрессора:

.

м.

4. Относительный диаметр втулки компрессора на выходе найдем из выражения:

4. После сравнения полученных результатов выбираем форму проточной части, принимая во внимание значение и . Необходимо построить все три формы проточной части компрессора и сделать выбор после построения проточной части турбины компрессора.

5. Практически во всех авиационных трехвальных ТРДД и ГТУ на их базе ТНД выполняется одноступенчатой. И её средний диаметр больше, чем средний диаметр ТВД. Найдем аксиальную площадь проточной части на выходе из турбины НД по методике из [1]:

. .

где =0,9877,

=0,8972, задаваясь степенью реактивности ТНД из диапазона 0,3 – 0,4. Принята реактивность .

,

и .

Для обеспечения высокой газодинамической эффективности ТНД зададим величину не более 25^о – 30^о, а именно =30^о.

5. .

6. Зададимся отношением среднего диаметра турбины НД к периферийному диаметру компрессора НД на входе:

.

В первом приближении это может быть . В расчете принято значение .

5. Тогда средний диаметр турбины НД будет равен:

м.

5. Окружная скорость на среднем радиусе турбины НД в выходном сечении определяется по выражению:

м/с.

5. Высота лопатки соплового аппарата на выходе первой ступени турбины НД определяется из уравнения:

,

м.

Диаметральные размеры ТНД в рассчитываемом сечении найдем из соотношений:

.

м.

.

м.

5. Далее находим отношение:

.

5. Проверим напряженное состояние первой РЛ ТК, найдя параметр напряжений :

.

Если =1 – 2, что характерно для авиапроизводных ГТУ, то можно переходить к следующему пункту расчета. Если <1, то проблем с обеспечением ресурса РЛ турбины НД скорее всего будет меньше. И так же можно переходить к следующему пункту расчета. Если же >2, то необходимо принимать меры по снижению напряжений в РЛ ТНД. Это возможно сделать двумя путями: уменьшать окружную скорость на среднем радиусе турбины НД (помня, что компрессор НД и турбина НД на одном валу) или уменьшать отношение , понижая (так как значение было принято завышенным).

Для принятых исходных данных имеем:

Выполнено условие <2.

5. Определяем число ступеней турбины НД (фактически это проверка возможности обойтись одной ступенью турбины НД).

Назначаем планируемое отношение :

.

Число ступеней ТНД:

,

.

Принимаем .

Пересчитываем отношение :

,

Проектирование ТВД и КВД

5. Назначим в первом приближении средний диаметр ТВД исходя из среднего диаметра ТНД.

м.

5. Для определения аксиальной площади горла соплового аппарата используем уравнение расхода:

.

м²

5. Высота лопатки соплового аппарата первой ступени турбины компрессора определяется из уравнения:

,

где принимаем = 13^о.

м.

5. Далее находим отношение

.

5. Задаем параметр напряжения в рабочей лопатке ТВД в диапазоне =1 – 2, принимаем =1,6.

6. Найдем окружную скорость на среднем радиусе ТВД из выражения:

м.

5. Определяем число ступеней турбины ВД. Во всех авиационных ГТД и выпускаемых на их базе ГТУ

Назначаем планируемое отношение :

.

Число ступеней ТК:

,

где ,

причем ,

где .

С учетом , , м/с получаем:

.

Принимаем .

Пересчитываем отношение :

,

5. Назначаем величину приведённой скорости на входе в компрессор ВД и определяем потребную аксиальную площадь на входе в двигатель на основании уравнения расхода

=

где ,

;

,

,

5. Задаемся приведенной окружной скоростью на входе в КВД: м/с.

6. Находим окружную скорость на концах первой ступени КВД: м/с.

7. Определим периферийный диаметр на входе в КВД:

м.

5. Рассчитаем диаметр втулки на входе в КВД:

м.

5. Найдем относительный диаметр втулки на входе в 1 рабочее колесо КВД:

Средний диаметр на входе в КВД:

.

м.

Высота первой рабочей лопатки на входе в КВД:

. м.

5. Задаем средний коэффициент затраченного напора компрессора Из ТГД расчета =394574 дж/кг. Отсюда число ступеней компрессора ВД будет равно:

,

.

Принимаем .

Уточненное значение среднего коэффициента затраченного напора компрессора будет равно:

5. Для определения аксиальной площади проточной части на выходе из компрессора назначаем величину приведённой скорости на выходе из компрессора

,

где ,

,

.

5. Поскольку возможная высота СА последней ступени компрессора неизвестно, предлагается последовательно вычислить её для трех вариантов формы проточной части компрессора ВД и потом выбрать наиболее подходящую.

1. Задаем проточную часть с постоянным наружным диаметром . Тогда диаметр втулки на выходе из компрессора ВД:

м

2. Высота СА последней ступени компрессора ВД будет равна:

.

м.

3. Средний диаметр компрессора ВД на выходе вычислим по формуле:

м.

4. Относительный диаметр втулки компрессора ВД на выходе найдем из выражения:

5. Задаем проточную часть с постоянным втулочным диаметром . Тогда диаметр втулки на выходе из компрессора ВД:

. м.

6. Наружный диаметр компрессора ВД на выходе найдем по формуле:

.

м.

7. Высота СА последней ступени компрессора ВД будет равна:

.

м.

8. Средний диаметр компрессора ВД на выходе вычислим по формуле:

.

м.

9. Относительный диаметр втулки компрессора ВД на выходе найдем из выражения:

.

.

10. Задаем проточную часть с постоянным средним диаметром

11. Средний диаметр компрессора ВД на выходе будет равен:

.

м.

12. Высота СА последней ступени компрессора ВД будет равна:

.

м.

13. Наружный диаметр компрессора ВД на выходе найдем по формуле:

.

м.

14. Диаметр втулки на выходе из компрессора ВД:

.

м.

15. Относительный диаметр втулки компрессора ВД на выходе найдем из выражения:

16. После сравнения полученных результатов выбираем форму проточной части КВД, принимая во внимание значение и . Необходимо построить все три формы проточной части КВД и сделать выбор, соотнеся их с ПТЧ ТВД.

Приложение VII

Предварительный проектный расчет ПТЧ СТ

Предварительный проектный расчет проточной части силовой турбины можно выполнить различными способами. Здесь предлагается один из них. В качестве примера рассчитывается ПТЧ СТ для ГТУ 3 схемы. Термогазодинамический расчет приведен в Приложении ?.

1. Задаем величину приведённой скорости за СТ =0,35

=

.

где ,

2. В данном примере коэффициенты для назначения средних диаметров СТ на входе и выходе из турбины сразу заданы для получения постоянной втулки СТ.

,

Тогда средний диаметр СТ на выходе из турбины равен

.

3. Примем частоту вращения СТ в 3000 об/мин, тогда

.

4. Проверяем напряжённое состояние рабочей лопатки последней ступени СТ. Определим диаметр периферии РК последней ступени СТ:

.

Втулочный диаметр РК последней ступени СТ найдем по аналогичной формуле:

.

Длина последней лопатки СТ равна:

.

Найдем напряжения от центробежных сил в корневом сечении лопатки по формуле:

,

где - плотность материала лопатки; - коэффициент формы пера лопатки. Достаточность прочности лопатки оценивается запасом прочности коэффициентом запаса:

,

где - длительная прочность материала лопаток при данной температуре на заданный ресурс. При этом температуру неохлаждаемой лопатки последней ступени можно принимать равной

,

где - теплоемкость газа; индекс указывает на значение параметров на –ом радиусе ПТЧ.

5. Далее найдем в первом приближении (по окружной скорости в выходном сечении) число ступеней СТ. Зададим параметр нагруженности СТ Y=0,5. Тогда

,

где ,

причем ,

где , а .

Принимаем целое значение =4, так как при постоянной втулке окружная скорость на входе в СТ будет меньше, а запаса по числу ступеней нет.

6. Для определения положения входного сечения СТ найдем степень понижения полного давления в первой ступени СТ по выражению

.

Причем .

7. Найдем аксиальную площадь проточной части в осевом зазоре первой ступени СТ по выражению:

где - полные температура, давление на выходе из турбины газогенератора,

при на выходе из ГГ,

, где

, где реактивность первой ступени =0,3,

причем , где .

Для обеспечения высокой газодинамической эффективности СТ =25^о.

8. Средний диаметр СТ на входе в турбину зададим с помощью коэффициента =1,2. Тогда средний диаметр СТ на входе в турбину получим из выражения

.

9. Далее находим высоту лопатки соплового аппарата первой ступени СТ (на выходе из него):

.

10. После этого найдем диаметр периферии соплового аппарата первой ступени СТ:

.

11. И по аналогичной формуле найдем диаметр втулки соплового аппарата первой ступени СТ:

.

12. Для оценки напряженного состояния РЛ 1 ступени СТ найдем величину .

13. Найдем окружную скорость СТ во входном сечении на среднем диаметре Ей будет соответствовать параметр напряженности .

Так как <1,5, то в первом приближении можно считать, что требуемый для ГТУ межремонтный ресурс обеспечен.

14. Далее выполняется расчет числа ступеней СТ во втором приближении, исходя из того, что средняя окружная скорость турбины определится из выражения:

,

а число ступеней СТ найдем по формуле:

15. После чего пересчитываем параметр нагруженности Y, чтобы убедиться в нахождении его в приемлемом диапазоне 0,5- 0,55.

.

Получена ПТЧ СТ с постоянным втулочным диаметром ,

Приложение VIII