230181
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
Н.И. Старцев, Ю.И. Цыбизов
Проектирование силовых установок
Часть1. Проектирование форсажной камеры ТРДДФ
Электронное учебное пособие
С А М А Р А
2012
2
УДК 621.431.75 ББК 39.55
C774
Авторы: Старцев Николай Иванович,
Цыбизов Юрий Иванович
Рецензенты:
Заведующий кафедрой теории двигателей летательных аппаратов, д-р. техн. наук, проф. В.Н. Матвеев
Редакторская обработка Г.В. Холодкова Компьютерная верстка Г.В. Холодкова
Старцев, Н.И. Проектирование форсажной камеры ТРДДФ[Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Н.И.Старцев, Ю.И. Цыбизов; Минобрнауки России , Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). - Электрон. текстовые и граф.
дан. (2,98 Мбайт). - Самара, 2012. – 1 эл. опт. диск (CD-ROM)
Проведен анализ конструкции форсажных камер. Разработана методика создания компоновки форсажной камеры с газодинамическим расчетом и расчетом на прочность.
Учебное пособие предназначено для подготовки магистров на факультет двигателей летательных аппаратов по направлению160700.68 «Двигатели летательных аппаратов», по дисциплине «Проектирование силовых установок», 2 семестр.
Подготовлено на кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов СГАУ.
© Самарский государственный аэрокосмический университет, 2012
|
|
|
3 |
|
|
Содержание |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ ....................................................................................................................... |
4 |
||
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................. |
10 |
||
1. |
Выбор типа форсажной камеры в зависимости............................................................ |
10 |
|
от особенности двигателя .................................................................................................... |
10 |
||
|
1.1 |
Применение смесителя воздушных потоков ........................................................... |
13 |
|
1.2 |
Определение формы камеры смешения................................................................... |
14 |
|
1.2.1 Газодинамический расчет диффузора .................................................................... |
14 |
|
|
1.2.2 Гидравлические потери диффузора......................................................................... |
15 |
|
|
1.2.3 Расчет параметров потока на выходе диффузора................................................ |
16 |
|
2. |
Общая газодинамическая и термохимическая проверка условий работы камеры |
|
|
сгорания ................................................................................................................................. |
16 |
||
|
2.1 |
Проверка отсутствия кризиса течения на выходе из камеры............................... |
16 |
|
2.2 |
Проверка достаточности располагаемого перепада статического давления...... |
17 |
|
2.3 |
Проверка условия самовоспламенения топлива .................................................... |
17 |
3 Организация подачи топлива........................................................................................... |
18 |
||
Процессы распыла и испарения ......................................................................................... |
18 |
||
|
3.1 |
Подвод топлива............................................................................................................ |
18 |
|
3.2 |
Организация распыла и испарения.......................................................................... |
20 |
4. |
Выбор системы стабилизации ......................................................................................... |
22 |
|
|
4.1 Выбор типа стабилизатора......................................................................................... |
22 |
|
|
4.1.1 Механические стабилизаторы ................................................................................ |
23 |
|
|
4.1.2 Газодинамические стабилизаторы ......................................................................... |
24 |
|
|
4.2 |
Размещение стабилизаторов в форсажной камере и их эшелонирование........... |
26 |
|
4.3 |
Определение гидравлических потерь на стабилизаторах пламени ..................... |
27 |
5. |
Определение потребной длинны камеры сгорания ..................................................... |
28 |
|
6. |
Организация воспламенения топлива ........................................................................... |
30 |
|
7. |
Определение параметров потока на выходе из камеры сгорания ............................. |
32 |
|
8. |
О коксовании топлива в коллекторах ........................................................................... |
33 |
|
9. |
Выбор материалов для деталей ФК................................................................................ |
34 |
|
10. Пример проектирования ФК......................................................................................... |
36 |
||
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
ПРЕДИСЛОВИЕ |
|
|
|
|
Цели и задачи курса |
|
|
|
|
|
|
Главное в |
курсе «Проектирование |
силовых |
установок» сформировать |
|
||
технологию совместных проектных процедур самолетного- и двигательного |
|
|||||
ОКБ по компоновке двигателя на самолете с , темчтобы выполнить все |
||||||
тактико-технические |
требования |
к |
силовой |
: установкепо |
||
термогазодинамическим параметрам, по надежности в любых метеоусловиях, |
|
|||||
по шуму двигателя и самолета, по |
защите |
от попадания |
посторонних |
|||
предметов во входное устройство; утвердить понимание необходимости этой |
|
|||||
совместной работы. |
|
|
|
|
|
|
Ставятся |
задачи |
показать |
необходимость, конструкторскую |
и |
||
экономическую выгоду совместного решения конструктором-двигателистом
иконструктором-самолётчиком вопросов:
-размещения и подвески двигателя на самолете, чтобы обеспечить эксплуатационную технологичность самолета, как основного объекта;
-оптимизация газодинамических параметров входного устройства и
компрессора |
двигателя, |
выходных |
устройств (реактивное |
сопло |
и |
||
реверсивное |
устройство) |
и |
самолета (снижение |
аэродинамического |
|
||
сопротивления данного эффекта;
-защиты от обледенения и попадания посторонних предметов: на земле и в воздухе;
-тепловой защиты конструкций самолета и двигателя и их систем
(топливной, масляной) при отрицательных температурах и высоком нагреве при сверхзвуковом полете;
- создания систем энергоснабжения самолета и двигателя: - системы электроснабжения,
-системы отбора воздуха от двигателя на самолетные нужды, - системы подвода топлива от самолетных баков к двигателю.
5
Методическое |
обеспечение |
курса |
базируется |
на |
литературны |
источниках:
1.Старцев, Н.И. Проектирование авиационных ГТД. Начальный этап. [Текст]/ Н.И.Старцев//уч. пособие.-Самара, 2009.-172с.
2.Проектирование самолетов: учебник для вузов/ С.Н. Егер и др.
М.: Машиностроение, 1983.- 603с.
3.Старцев, Н.И. Проектирование авиационных редукторов. [Текст]/
Н.И.Старцев//уч. пособие.-Самара, 2012.-153с.
4.Задания на исследовательские лабораторные работы (ИЛР)
5.Старцев, Н.И. конструкция и проектирование опор роторов.
[Текст]/ Н.И.Старцев//уч. пособие.-Самара, 2012.-186с.
ИЛР №1 Проектирование дозвукового входного устройства:
- газодинамическое проектирование с использованием программы
Fluent;
-разработка конструкции,
-выбор параметров и конструкции ЗПК.
ИЛР №2 Выбор защиты от попадания посторонних предметов во входное устройство:
-имитация и исследование попадания птиц во входное устройство с использованием программы Fluent;
-разработка мероприятий по повышению прочности входной кромки вентиляторной лопатки.
ИЛР №3 Проектирование противообледенительной системы входного устройства и двигателя:
-разработка конструкции для двигателя из СГКП;
-расчет системы подвода горячего воздуха для обеспечения требуемых температур защищаемых поверхностей(70°С – основной режим, 40°С –
малый газ) с использованием программы ХПИ.
6
Содержание курса и методическая поддержка
№ п/п |
Содержание разделов курса |
|
|
Методическая |
||||
|
|
поддержка |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1. |
Состав силовой установки |
|
|
|
[1,2] |
|||
|
|
|
|
|||||
1.1 |
Двигатель: место размещения на самолете, |
|
[1,2] |
|||||
|
конструкция подвески |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
1.2 |
Воздушные винты и винтовентиляторы |
|
|
[3] |
||||
|
|
|
|
|||||
1.3 |
Выходные устройства (реактивное сопло и |
|
|
|||||
|
реверсивное |
|
устройство, |
их |
|
[2] |
||
|
взаимодействие с крылом и фюзеляжем |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
1.4 |
Системы: |
|
|
электроснабжения, |
|
|
||
|
топливоснабжения и |
снабжения самолета |
|
[2] |
||||
|
воздухом от двигателя |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||||
2. |
Структурные связи самолета и двигателя |
|
|
[1] |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
2.1 |
Силовая система самолета |
|
|
|
[1,2] |
|||
|
|
|
|
|
|
|||
2.2 |
Силовая система двигателя |
|
|
|
[1] |
|||
|
|
|
|
|
||||
3. |
Проектирование силовой установки |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
3.1 |
Размещение двигателя на самолете |
|
|
[1,2] |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
3.2 |
Проектирование |
подвески |
двигателя |
на |
|
|||
|
самолете с учетом деформаций корпуса |
[1] |
||||||
|
двигателя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3.3 |
Проектирование входного устройства |
|
|
[1] |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
3.3.1 |
Дозвуковое |
входное |
устройство |
|
|
[1] |
||
|
|
|
|
|
||||
3.3.2 |
Сверхзвуковое входное устройство |
|
|
[1] |
||||
|
|
|
|
|
||||
3.4 |
Согласование |
выходного |
устройства |
|
||||
|
двигателя |
(РС |
и |
РУ) с |
конструкцией |
[2] |
||
|
самолета |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3.5 |
Выбор средств шумоглушения на примере |
[1] |
||||||
|
воздухозаборника, выбор параметров ЗПК |
|||||||
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
3.6 |
|
Противообледенительная |
|
|
система |
[1] |
|
|
||||
|
|
двигателя и самолета |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.7 |
|
Система |
|
защиты |
|
|
от |
попадания |
|
|
|
|
|
|
посторонних |
предметов |
на |
земле |
и |
в |
[1] |
|
|
||
|
|
воздухе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
3.8 |
|
Системы энергоснабжения самолета: |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
- электроснабжения; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
- система отбора воздуха |
на |
самолетные |
|
[1] |
|
|
||||
|
|
нужды; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- система топливопитания двигателя. |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Исследовательская работа №1 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
(ИЛР №1) |
|
|
|
|
|
||
|
|
Проектирование дозвукового входного устройства |
|
|
||||||||
|
|
|
авиационного газотурбинного двигателя |
|
|
|
||||||
|
Цель работы: |
Показать, |
что |
входное |
дозвуковое |
устройство |
это |
|||||
самолетный узел, но крепится непосредственно к двигателю и проектируется |
|
|||||||||||
самолетчиками и двигателистами совместно. Поэтому в лабораторной работе |
|
|||||||||||
проводятся |
все |
этапы |
проектирования: газодинамический |
расчет, |
||||||||
конструктивная проработка и разработка средств шумоглушения. Борьба с |
|
|||||||||||
обледенением |
и |
разработка |
средств |
улавливания |
твердых , |
час |
||||||
попадающих во входное устройство, выделены в отдельные лабораторные |
||||||||||||
работы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Исходные данные: тип двигателя, Gв – расход воздуха через двигатель, |
|
||||||||||
Vп – скорость полета. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Исходные |
параметры: Свх |
– |
скорость входа, |
Fвх – площадь |
входа, |
|
|||||
определение площадей в сечениях1, 2, 3, наклон оси внутреннего канала, считая от сечения В.
Порядок выполнения работы
1.Термодинамический расчет двигателя, определение параметров в сечениях ВХ и В;
2.Газодинамическое проектирование: получение заданных параметров в сечении В;
3.разработка конструкции входного устройства, включая шумоглушение, средства противообледенения;
4.Расчет сил действующих на входное устройство и оценка прочности в среде ANSYS$
8
5. Оценка уровня шума и подбор параметров ЗПК(звукопоглощающих конструкций.
Методическое обеспечение:
1. Старцев, Н.И. Проектирование авиационных ГТД. Начальный этап.
[Текст]/ Н.И.Старцев//уч. пособие.-Самара, 2009.-172с.
2. Комплекс АСТРА.
Исследовательская работа №2 (ИЛР №2)
Выбор защиты от попадания посторонних предметов в двигатель
Цель работы: Проблема состоит в том, что при эксплуатации самолетов и вертолетов происходят повреждения элементов двигателя при попадании
посторонних предметов во входное устройство. Это влечет за собой снижение безопасности полетов и дополнительные затраты на ремонт и восстановление двигателей.
При этом, наиболее уязвимым узлом и главной причиной аварий является компрессор из-за повреждений лопаток.
Исходные данные:
1)базовым двигателем является двигатель, разработанный в СГКП,
2)рассматриваются два случая попадания посторонних предметов в двигатель:
а) на земле – твердые частицы (до 25г), песок и пыль; б) в воздухе – попадание птиц.
Порядок выполнения работы 1.Рассматриваем случай попадания посторонних предметов в двигатель
на земле – твердые частицы (до 25г), песок и пыль.
·Исследование движения твердой частицы(25г) до встречи с первой рабочей лопаткой компрессора с использованием комплексовFluent и NX.
·Оценка импульса при ударе твердой частицы(25г) при встречи с лопаткой.
·Расчет деформаций и напряжений лопатки в средеANSYS и оценка опасности повреждения.
2.Рассматриваем случай попадания посторонних предметов в двигатель
ввоздухе – попадание птиц.
·Исследование движение птицы до встречи с компрессорной решеткой. Оценка скорости движения птицы при ударе, построение треугольника скоростей при соударении и определение силы СN .
·Оценка импульса при ударе птицы при встречи с лопаткой.
9
· Расчет деформаций и напряжений лопатки в средеANSYS и оценка опасности повреждения.
3. Разработка мер по .уменьшению опасности соударения Методическое обеспечение:
1. Старцев, Н.И. Проектирование авиационных ГТД. Начальный этап.
[Текст]/ Н.И.Старцев//уч. пособие.-Самара, 2009.-172с.
2. Комплекс АСТРА.
Исследовательская работа №3 (ИЛР №3)
Проектирование противообледенительной системы входного устройства и двигателя
|
Цель |
|
работы: |
Овладеть |
проектирование |
противообледенительной |
|||||
|
|
|
|
||||||||
системы (ПОС) Входного устройства и двигателя современными средствами. |
|
||||||||||
Изучить |
требования |
норм |
летной |
годности(АП-33) по |
иключению |
||||||
обледенения |
двигателя, |
научиться формировать |
исходные |
данные |
для |
||||||
расчета |
элементов |
|
тепловой |
ПОС |
и |
проводить |
расчет |
расход |
|||
характеристик, площадей каналов для обеспечения требуемой температуры |
|||||||||||
нагрева, разрабатывать конструкцию ПОС. |
|
|
|
|
|||||||
|
Исходные данные: компоновка |
системы ПОС для двигателя в |
|||||||||
|
|
|
|
индивидуальным |
заданием, требуемые |
температуры |
|||||
соответствии |
с |
|
|||||||||
подогрева защищаемых поверхностей на критическом режиме и на режиме «малый газ» и площади этих поверхностей
Порядок выполнения работы
1.Разработка компоновки ПОС и расчет обогреваемых площадей, геометрические характеристики линии транспортирования горячего воздуха. предварительная оценка места отбора воздуха.
2.тепловой расчет с использованием программыXПИ: параметр воздуха обдувающего поверхность. Оценка температуры стенки.
3.Уточнение конструкции ПОС: проходного сечения труб и каналов подвода горячего воздуха, место отбора.
4.Разработка конструкции и расчет теплоизоляции ПОС.
Методическое обеспечение:
1. Старцев, Н.И. Проектирование авиационных ГТД. Начальный этап.
[Текст]/ Н.И.Старцев//уч. пособие.-Самара, 2009.-172с.
2. Программный комплекс ХПИ.
10
ВВЕДЕНИЕ
Форсажные камеры предназначены для временного увеличения тяги в
случае необходимости (взлет, разгон до сверхзвуковой скорости, манёвр
воздушного боя). |
|
|
|
В последней четверти прошлого столетия поводились |
интенсивные |
||
работы по созданию форсажных камер(ФК) для военных самолетов. Эти |
|||
работы |
включали: проектные |
разработки; отработку технологических |
|
процессов |
изготовления ФК; |
эксперементальные исследования |
рабочего |
процесса в стендовых условиях; эксперементальные испатания ФК в составе двигателя на самолете.
Исследования ФК современных ТРДДФ проводится по следующим направлениях:
1. Понимание физико-химических особенностей рабочего процесса смешения вентиляторного воздуха с затурбинным газом и сжигание топлива в ФК.
2.Выбор близкой к оптимальной схеме ФК применительно к конкретному двигателю и самолету.
3.Разработка математической модели.
4. Проведение качественных |
аналитических |
исследований |
рабочего |
|
процесс ФК. |
|
|
|
|
Следует |
отметить, что |
использование |
проверенных |
временем |
конструктивных решений позволит обеспечить требуемую функциональную и прочностную надежность и уменьшить время доводки узла в системе ГТД.
1. Выбор типа форсажной камеры в зависимости от особенности двигателя
Противоречивость требований, предъявляемых к форсажной камере,
делает проблему выбора типа камеры многовариантной. На начальном этапе следует в первом приближении оценить необходимость применени смесителя потоков, форму камеры смешения, степень загромождения