книги / Теория и расчет авиационных лопаточных машин

К.В.Холщевников

О.НЕмин

ВТ.Митрохин

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ АВИАЦИОННЫХ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН

Второе издание

переработанное и дополненное

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебника для студенте высших учебных заведений, обучающихся по специальности ’’Авиационные двигатели”

МОСКВА

«МАШИНОСТРОЕНИЕ:

1986

ББК 39.55 Х74

УДК 629.7.036 : 621.438 + 621.51.001 (075.8)

Р е ц е н з е н т ы : член-корреспондент АН СССР О. Н. Фаворский и кафе­ дра «Турбомашины» Казанского авиационного института

Холщевников К- В., Емин О. Н., Митрохин В. Т.

Х74 Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учеб­ ник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели». 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986. 432 с., ил.

Впер.: 1 р. 40 к.

Вучебнике рассмотрены основы теории лопаточных машин, а также особенности рабочего процесса в осевых, центробежных и комбинированных компрессорах, в осе­

© Издательство «Машиностроение», 1986 г.

И З П РЕ Д И С Л О В И Я К П Е РВ О М У И ЗД А Н И Ю

Книга «Теория и расчет авиационных лопаточных машин» написана в соответствии с учебной программой одного из основных профили­ рующих курсов для студентов, специализирующихся по авиацион­

иизучаемыми после него весьма необходим.

Вчисто теоретическом аспекте ряд вопросов, имеющих непосред­ ственное отношение к лопаточным машинам (например, теория ре­ шеток, теория пограничного слоя, диффузоров, сопел), рассматри­ ваются в курсе газовой динамики, предшествующем курсу лопаточ­ ных машин, а вопросы, относящиеся к применению лопаточных ма­ шин в газотурбинных двигателях и к их конструированию, — в кур­ сах теории и конструкции двигателей, читаемых после данного курса. Поэтому в настоящем учебнике наибольшее внимание уделено вопро­ сам общей теории лопаточных машин и их отдельных видов, а также выбору исходных параметров и инженерным методам расчета, кото­

рые не рассматриваются в курсе газовой динамики, но связаны с ним рядом положений и уравнений.

Связь курса «Теория и расчет авиационных лопаточных машин» с курсами по теории и конструкции газотурбинных двигателей вы­ является при рассмотрении исходных параметров и методов расчета, и особенно, в главах, посвященных характеристикам и регулирова­ нию лопаточных машин и согласованию параметров компрессоров и турбин. Вопросы согласования, разработанные впервые автором, изложены применительно к различным типам газотурбинных авиа­ ционных двигателей и сопровождаются практическими рекомен­ дациями.

Предлагаемые методы расчета не являются единственно возмож­ ными. В практике работы исследовательских институтов и кон­ структорских бюро могут применяться и другие методы расчета, основанные на результатах специальных испытаний, однако, как показывает опыт, усвоение в учебном процессе теории и упрощенных методов расчета позволяет инженерам быстро освоить конкретные методы, применяемые в той или другой организации.

5

V — объем в м3; объемный расход в м3/с;

w — скорость в относительном движении в м/с; z — число ступеней; число лопаток;

а— углы потока и лопаток в абсолютном движении; коэф­ фициент теплопередачи в Вт/(м2-К);

Р— углы потока и лопаток в проточной части компрессора и турбины в относительном движении в °; коэффициент объемного расширения;

£— коэффициент потерь;

£— коэффициент трения;

а — коэффициент полного давления; напряжение растяжения;

вВт/(м*К);

р— динамическая вязкость в Па-с; коэффициент расхода;

к— компрессор;

т— турбина; теоретический;

г— газ;

с— сопло;

д — диффузор; ст — ступени; тр — трения;

кан — канальный; проф — профильный;

вт — вторичный; втулочный; пер — периферийный; ср — средний;

кром — кромочный; волн — волновой;

заз — зазора; конц — концевые;

м — механический сп — спинка;

кор — корытце; кориолисово; вып — выпуклый;

7

ВВЕДЕНИЕ

ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН» В УЧЕБНОМ ПЛАНЕ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРА

Дисциплина «Теория и расчет лопаточных машин» (ТЛМ) изучает теорию и расчет компрессоров и турбин газотурбинных двигателей. Она является поэтому профилирующей для специальности «Авиа­ ционные двигатели», так как занимается вопросами, относящимися к основным элементам ГТД любой схемы и назначения.

Изучение лопаточных машин базируется на предварительной общетеоретической (физико-математической) и общеинженерной под­ готовке студентов. Твердое усвоение всех предшествующих дисцип­ лин учебного плана и прежде всего математики, физики, механики, термодинамики и газодинамики — непременное условие успешного усвоения курса ТЛМ.

Отдельные фундаментальные положения этих учебных дисциплин непосредственно входят в курс лопаточных машин, рассматривая, например, особенности термогазодинамических процессов в проточ­ ной части лопаточных машин и методы их совершенствования.

Курс «Теория и расчет лопаточных машин» предшествует учебным курсам по теории двигателей,их проектированию и конструирова­ нию, расчетам на прочность, технологии и испытаниям и в ряде разделов начинает изучение вопросов, подробно рассматриваемых затем в этих последующих курсах.

Подобное промежуточное положение учебного курса ТЛМ среди профилиру­ ющих двигательных дисциплин определило ряд его особенностей и приемов для его

нерная, где излагаются практические приемы по расчету и исходному проектиро­ ванию лопаточных аппаратов компрессоров и турбин ГТД.

Это порождает определенные трудности и можно рекомендовать следующий порядок изучения всех разделов курса: сначала понять физическую сущность про­ цессов и явлений; потом рассмотреть основную идею (математическую модель) теоретического анализа данного вопроса; затем следует более детально изучить математические приемы получения аналитических или графических зависимостей (формул и графиков), их соответствие опытным (экспериментальным) данным; после этого следует рассмотреть практические выводы, т. е. инженерные рекомендации по выбору параметров и расчету. Особенно важно иметь в виду все практические ограничения и особые случаи применения тех или иных рекомендаций, следующие

9

непосредственно из практики создания и эксплуатации компрессоров и турбин авиационных ГТД.

Такая целесообразная последовательность изучения курса ТЛМ завершается курсовым проектом, цель которого — закрепить изученный материал по теории и методам расчета лопаточных машин, а также получить определенные практические навыки по расчету и профилированию элементов проточной части (лопаточного аппарата) компрессора и турбины, в том числе и с использованием ЭВМ, методов и приемов автоматизированного проектирования (САПРД).

Овладение этими методами является обязательным для будущего инженера. Курс «Теория и расчет лопаточных машин» закладывает необходимые основы и для такой подготовки авиационного инженера.

Другим важным вопросом качественной подготовки по компрессорам и турби­ нам ГТД является последовательное использование положения о необходимости постоянного сочетания расчетно-теоретических и экспериментальных исследований

иработ. И здесь экспериментальные исследования, проводимые при создании компрессоров и турбин, являются прямым продолжением исследований по общим вопросам термогазодинамики. Они непосредственно переходят в испытания опытных

исерийных машин, проводимых в процессе доводки и предъявления готовой про­ дукции.

Овладение экспериментальными методами в области теории и практики создания компрессоров и турбин также является важной задачей при изучении курса теории и расчета лопаточных машин.

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УЧЕБНИКА И ДРУГИХ ИСТОЧНИКОВ

Расположение материала в отдельных главах учебника, изучение которых обязательно для всех студентов, таково, что по усмотрению преподавателя отдельные разделы и подразделы могут быть опущены или изучаться в сокращенном варианте.

Авторы стремились сохранить основной строй первого издания, учитывая опыт и традиции преподавания этого предмета в МАИ. Однако внесенные в учебные про­ граммы изменения потребовали некоторой перестановки материала, введение новых глав, как и исключения ряда разделов, ранее входивших в первое издание учебника.

Разумеется, в учебнике невозможно было поместить весь материал, необходи­ мый будущему специалисту, особенно в случае, если он будет в дальнейшем спе­ циализироваться в области теории и газодинамических расчетов компрессоров и турбин.

Необходимые дополнительные сведения можно получить при изучении источ­ ников, указанных в списке литературы, который представлен в виде трех разделов. Первый раздел — литература, рекомендуемая для самостоятельного углубленного изучения курса; второй — учебные пособия, необходимые для выполнения расчетов компрессоров и турбин при курсовом и дипломном проектировании (их следует изучать также и для приобретения практических инженерных навыков по указан­ ному предмету), третий — более специальная литература, норой по отдельным, частным вопросам (однако, в ряде случаев, изучение и этих источников может стать настоятельно необходимым, например, при выполнении специальной части диплом­ ного проекта, при проведении самостоятельного научного исследования). Раз­ умеется, изучение технической литературы должно включать в себя ознакомление с периодическими изданиями — журналами, сборниками статей, справочниками по двигателям, различными информационными выпусками и др.

Опыт преподавания в МАИ убедительно показал, что изучение материала по учебнику должно предшествовать слушанию очередной лекции, на которой изла­ гается соответствующий раздел курса. Работа студента непосредственно на лекции становится в этом случае особенно целенаправленной и продуктивной. Он имеет возможность обратить особое внимание на то, что лектор считает наиболее важным установить логическую последовательность в изложении материала, имея в виду, что конечный результат изложения в общих чертах уже известен.

Разумеется, для этого преподаватель знакомит студентов с ближайшими пла­ нами изучения курса, указывает соответствующие разделы учебника и дополнитель-

10