Осень 16 курс 4 ОрТОР / ТАДКУП / ТАД
.pdf
1.2. Осевой компрессор
Компрессор – это лопаточная машина, предназначенная для сжатия воздуха за счёт внешней механической работы, подводимой от газовой турбины, и последующей подачи сжатого воздуха в камеру сгорания (рис. 1.3.). Для рассматриваемого двигателя выбираем многоступенчатый осевой компрессор.
Расчёт компрессора сводится к определению:
–параметров воздуха на входе в компрессор – ТВ* ,ТВ , pВ , pВ , В;
–параметров воздуха на выходе из компрессора – ТК* ,ТК , pК , pК , К ;
–длины лопаток первой и последней ступеней, длины компрессора;
–количества ступеней (z) компрессора;
–работы компрессора и мощности, потребляемой компрессором.
Рис. 1.3. Схема осевого компрессора
11
Сечение В–В
1. Полная температура воздуха:
* |
|
|
k 1 |
2 |
|
|
|
ТВ ТН 1 |
|
|
|
МН |
, |
(1.5) |
|
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
где МН = 0, так как Vп = 0.
Врезультате Т*В ТН 288К.
2.Полное давление воздуха:
|
|
|
k 1 |
2 |
k |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
k 1 |
|
|
|||||
pВ Вх 1 |
|
|
|
МH |
pН , |
(1.6) |
|||
2 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
где σВх = pв / pн – коэффициент восстановления (сохранения) полного |
|||||||||
давления воздуха. Для дозвуковых входных устройств |
σВх = 0,96…0,98. Чем |
||||||||
больше σВх, тем выше эффективность работы входного устройства (больше тяга двигателя и меньше удельный расход топлива). В среднем увеличение σВх на 1 % вызывает повышение тяги на 1 % и снижение удельного расхода топлива на 0,5 %.
Выбираем коэффициент восстановления полного давления воздуха во входном устройстве (рис.1.4.) Вх 0,98,тогда pВ 0,98 101325 99298,5 Па.
Рис. 1.4. Зависимость коэффициента восстановления полного давления во входном устройстве ТРД от числа МН полёта:
12
σВх0 = 0,98 при МН = 0, при МН > 1 (до МН = 3) расчёт по формуле: σВх = σВх0 – 0,02241·(МН – 1)2 – 0,14561·(МН – 1)3 + 0,086282·(МН – 1)4 – 0,14561·(МН – 1)5
3. Статическая температура воздуха:
|
|
|
|
с2 |
|
|
Т |
В |
Т |
|
В |
|
(1.7) |
|
||||||
|
В |
|
|
. |
||
|
|
|
|
2 СРВ |
|
|
При применении дозвуковых ступеней в осевом компрессоре обычно осевая составляющая скорости на входе в компрессор сВ принимается равной
170…195 м/с.
Выбираем осевую составляющую скорости потока воздуха в сечении В-В
с |
|
190 |
м/с, |
тогда |
С |
|
|
k |
|
R 1004,5 Дж/(кг·К) |
|
|
|
|
||||||||||||||
В |
РВ |
k 1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТВ 288 |
|
1902 |
270 К. |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1004,5 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
4. Статическое давление воздуха pВ |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
1,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
Т |
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
Т |
|
k 1 |
270 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
В |
1,4 1 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pВ |
pВ |
|
|
|
|
|
99298,5 |
|
|
|
79221,33 Па. |
||||||||
|
|
|
|
|
Т |
|
Т |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
pВ |
|
В |
|
|
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
288 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
5. Плотность воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
pВ |
R TВ В |
pВ |
|
79221,33 |
1,02 кг/м3. |
|
|
В |
RT |
287 270 |
|||
|
|
В |
|
|
|
|
6. Площадь проходного сечения
(1.8)
(1.9)
GB cB B FB FB |
GB |
|
130 |
0,67 м2. |
(1.10) |
|
190 1,02 |
||||
|
cB B |
|
|
||
7. Наружный диаметр компрессора DB определяется с использованием формулы:
13
|
|
|
|
|
|
dB |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
2 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
FB |
|
DB |
|
|
|
|
DB |
1 dB |
(1.11) |
|||||||
4 |
1 |
|
DB |
|
|
4 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для первых ступеней многоступенчатых компрессоров относительный |
||||||||||||||||
|
|
|
В dВ / DВ |
|
|
|||||||||||
диаметр втулки компрессора |
d |
принимается равным 0,3…0,6. |
|
|||||||||||||
Выбираем относительный диаметр втулки компрессора dB 0,35, тогда
DB 
4(1FBdB2)
8. Диаметр втулки компрессора
dB dB
4 0,67 
3,14 (1 0,352)
DB ; |
dB |
0,99 м. |
(1.12) |
0,35 0,99 0,346 м. (1.13)
9. Длина лопаток рабочего колеса первой ступени компрессора
h |
DB dB |
0,99 0,347 0,322 м. |
(1.14) |
|||||||||
B |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Сечение К–К |
|
|||||||
1. Определение удельной работы компрессора |
|
|||||||||||
|
k |
|
|
|
|
k 1 |
|
1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
||||||||
LK |
|
|
R TB |
|
К |
k |
1 |
|
. |
(1.15) |
||
k 1 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
К |
|
|||
Для осевых компрессоров |
со |
степенью |
повышения давления воздуха |
|||||||||
к = 20…30 КПД составляет к = 0,8…0,86. |
|
|
|
|||||||||
Выбираем КПД компрессора по заторможенным параметрам |
к 0,86, |
|||||||||||
тогда удельная работа компрессора равна |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
|
|
|
1,4 |
|
|
|
1,4 1 |
|
|
1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
L |
|
|
|
|
287 |
288 |
23 1,4 |
|
1 |
|
|
487574,9 |
Дж/кг. |
(1.16) |
|
|
1,4 1 |
0,86 |
|||||||||||||
|
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Полное давление воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
pК |
pВ к |
99298,5 23 2283865,5 |
Па. |
|
(1.17) |
||||||||||||||||||
3. Полная температура воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
LK СРВ ТВ СРВ ТК |
ТК |
ТВ |
|
|
LК |
288 |
487574,9 773,4 К. |
(1.18) |
|||||||||||||||
|
С |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
РВ |
|
|
|
|
1004,5 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Статическая температура воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ТК |
ТК |
|
|
|
сК2 |
|
К. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.19) |
|||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
СРВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
На выходе из последних ступеней компрессора величина осевой скорости |
|||||||||||||||||||||||
сК не должна превышать 120…150 м/с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Выбираем скорость |
|
|
воздуха за |
|
|
компрессором |
сК 125 |
м/с, |
тогда |
||||||||||||||
статическая температура воздуха равна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
ТК 773,4 |
|
1252 |
|
765,6 К. |
|
|
(1.20) |
||||||||||||||
|
|
2 |
1004,5 |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
5. Статическое давление воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
765,6 |
1,4 |
|
|
|
|
|
|||
|
ТК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,4 1 |
|
|
|
|
|||||
pК pК |
* |
|
|
|
2283865,5 |
|
|
|
|
|
2204259,3 |
Па. |
(1.21) |
||||||||||
|
ТК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
773,4 |
|
|
|
|
|
|
|||
6. Плотность воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К |
|
pК |
|
|
2204259,3 10,03 |
кг/м3. |
|
(1.22) |
|||||||||||||||
|
R T |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
287 765,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. Площадь проходного сечения
15
FК |
GВ |
|
130 |
|
0,1 м2. |
(1.23) |
|
125 10,03 |
|||||
|
cК К |
|
|
|||
8.Наружный диаметр компрессора. Принимаем закон профилирования проточной части компрессора DК = const, т.е. DВ = DК = 0,99 м.
9.Внутренний диаметр компрессора
FK DK2 dK2 |
dK |
|
DK2 4 FK |
|
0,99 |
2 4 0,1 |
0,92 |
м. (1.24) |
||||||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3,14 |
|
|
|
||
10. Длина лопаток на выходе из компрессора |
|
|
|
|
||||||||||
hK |
|
DK dK |
0,99 0,92 = 0,035 м = 35 мм. |
|
(1.25) |
|||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
11. Определяем количество ступеней (z) компрессора. Обычно повышение |
||||||||||||||
давления в одной ступени |
осевого компрессора |
изменяется |
в |
пределах |
||||||||||
СТ = 1,3…1,5. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выбираем степень повышения давления воздуха в ступени |
СТ |
1,37 и |
||||||||||||
прологарифмировав формулу к ( СТ )z получим: |
|
|
|
|
||||||||||
z |
lg к |
|
lg23 |
|
10. |
|
|
|
(1.26) |
|||||
lg |
|
lg1,37 |
|
|
|
|||||||||
|
СТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12. Определяем длину компрессора по формуле lK = 2,4·bСР·z,
где bСР – средняя хорда профиля лопатки, z – количество ступеней компрессора.
Выбираем bСР 0,5 hСР , |
тогда среднюю |
высоту |
компрессорной |
решетки hСР можно определить по формуле: |
|
|
|
hСР hВ hК 0,322 0,035 |
= 0,1435 м; |
(1.27) |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
16 |
bСР 0,5 0,1435 0,0718 м; |
|
|
lК 2,4 bСР z 2,4 0,0718 10 1,72 |
м. |
(1.28) |
13. Определяем мощность, потребляемую компрессором |
|
|
NК LК GB 487574,9 130 63384737 |
Вт. |
(1.29) |
1.3. Камера сгорания |
|
|
Камеры сгорания (рис. 1.5.) предназначены для подвода тепловой энергии к рабочему телу в двигателе за счёт преобразования химической энергии топлива в тепловую. От совершенства и устойчивой работы камер сгорания в значительной степени зависит эксплуатационная надёжность и экономичность работы двигателя.
Расчёт камеры сгорания сводится к определению:
– |
параметров газа на выходе из камеры сгорания – pГ , pГ ,ТГ ,ТГ , Г ; |
– длины камеры сгорания LК.С ; |
|
– |
относительного расхода топлива – gТ GT /GB; |
– |
коэффициента избытка воздуха на выходе из камеры сгорания αк.с . |
17
|
|
Сечение Г–Г |
|
|
|
1. Полное давление |
газов |
на |
входе в турбину p*Г |
рассчитывается |
по |
заданной температуре |
ТГ* и |
в |
зависимости от типа |
камеры сгорания, |
в |
соответствии с которыми оценивается возможная величина коэффициента
восстановления полного давления σк.с = 0,92…0,97. |
При этом чем выше ТГ* , |
|
тем меньшее значение σк.с рекомендуется принимать. |
Ориентируясь на камеру |
|
сгорания двигателя РД-3М-500, принимаем σк.с = 0,94. |
|
|
p*Г pК* к.с 2283865,5 0,94 2146833,57 Па |
(1.30) |
|
2.Полная температура газов Т*Г задаётся в исходных данных:
ТГ* 1370 К.
3.Статическая температура газов
ТГ |
ТГ* |
|
|
сГ2 |
. |
(1.31) |
2 |
|
|||||
|
|
|
СРГ |
|
||
На выходе из камеры сгорания осевая скорость газов должна быть в |
||||||
пределах сГ = 160…220 м/с. |
|
|
|
|
|
||||
Выбираем сГ = 200 |
м/с. Принимая значения коэффициента адиабаты и |
||||||||
газовой постоянной равными kГ = 1,33 |
и |
RГ = 288 Дж/(кг·К), вычислим |
|||||||
удельную теплоёмкость газов СРГ |
|
|
|
||||||
СРГ |
|
kГ |
|
RГ 1160 |
Дж/(кг·К) |
(1.32) |
|||
kГ 1 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
Подставляя принятые и вычисленные значения сГ |
и СРГ в формулу 1.31, |
||||||||
определим значение статической температуры ТГ |
|
||||||||
|
|
ТГ |
1370 |
2002 |
1352,8 |
К. |
|||
2 1160
4. Статическое давление газов
18
|
p |
|
|
Т |
|
|
|
kГ |
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
kГ |
|
|
|
|
Г |
Г |
kГ 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Г |
kГ 1 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
p |
Г |
p |
|
|
; |
(1.33) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
p |
|
Т |
|
|
|
|
|
|
|
|
Г |
Т |
|
||||||||
|
Г |
|
Г |
|
|
|
|
|
|
|
Г |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,33 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1352,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
pГ 2146833,57 |
1,33 1 |
2040253,9 |
Па. |
|||||||||||||||||||
|
1370 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
5. Плотность газа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pГ |
RГ TГ Г |
|
pГ |
|
|
2040253,9 5,23 кг/м3. |
(1.34) |
|||||||||||
|
|
|
R |
|
T |
||||||||||||||
|
Г |
|
|
|
|
Г |
|
|
288 1354,4 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Г |
|
|
|
|
|
|
|
|||
6. Диаметр камеры сгорания. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Наружный диаметр камеры сгорания DК.Сн |
на входе (сечение К-К) равен |
||||||||||||||||||
диаметру компрессора |
DК, на выходе – (сечение Г-Г) – |
диаметру турбины |
|||||||||||||||||
DК DК.Сн 0,99 м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Внутренний диаметр камеры |
|
сгорания |
DК.Свн |
определяется из |
|||||||||||||||
соотношения |
|
|
|
К.С DК.Свн /DК.Сн , |
|
где |
|
|
|
К.С |
принимает значения |
0,5…0,7. |
|||||||
|
|
D |
|
D |
|||||||||||||||
Выбираем |
|
К.С = 0,65 , |
тогда DК.Свн = |
|
|
К.С DК.Сн = 0,65·0,99 = 0,64 м. |
|
||||||||||||
D |
D |
|
|||||||||||||||||
7. Длина камеры сгорания LК.С |
|
определяется суммой длины диффузора |
|||||||||||||||||
камеры сгорания lД (lД = 100…150 мм) и длины жаровой трубы lЖ (lЖ = |
|||||||||||||||||||
400…600 мм). Выбираем lД = 130 мм, |
|
|
lЖ = 450 мм, тогда |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
LК.С = lД + lЖ = 130 +450 = 580 мм = 0,58 м. |
|
||||||||||||
Для обеспечения высокой полноты сгорания и достаточно равномерного |
|||||||||||||||||||
поля температур на выходе из камеры сгорания отношение длины жаровой трубы lЖ к её поперечному размеру DЖ должно составлять не менее 3…4
(lЖ lЖ /DЖ 3...4). Однако это отрицательно сказывается на габаритах и массе двигателя, кроме этого в выхлопной струе появляется повышенное количество сажи, приводящее к возрастанию дымности двигателя. В
19
современных ГТД добиваются уменьшения относительной длины жаровой трубы lЖ до значений 2,0…2,5. При этом практически отсутствует дым в выхлопных газах, но несколько сужается диапазон устойчивой работы камер сгорания по составу смеси.
Принимаем компромиссное решение по одновременному обеспечению устойчивой работы камеры сгорания и приемлемому уровню дымности,
выбирая LЖ = 3,0. В результате диаметр жаровой трубы равен
DЖ lЖ /lЖ 450/3 150 мм.
Для современных ГТД относительная длина диффузоров камер сгорания lД lД /DЖ 0,8...1,5.
Выбранные нами значения lД , lЖ и вычисленный диаметр жаровой трубы DЖ находятся в пределах, характерных для современных ГТД, так как
lД lД /DЖ 130/150 0,87.
8.Относительный расход топлива в основной камере сгорания gТ GT /GB
определяется из уравнения баланса энергии:
GT Hu Г
gT GT GB
GB СPГ (ТГ |
ТК ); |
(1.35) |
||||
|
С |
PГ |
(Т Т |
) |
|
|
|
Г |
К |
, |
(1.36) |
||
|
|
Hu Г |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
где Hu – низшая (рабочая) теплотворная способность топлива (для авиационных керосинов Hu = 42900…43100 кДж/кг). Выбираем
Hu = 43100 кДж/кг;
ηГ – коэффициент полноты сгорания (выделения теплоты), который на расчётных режимах для основных камер сгорания принимает значения в пределах 0,970…0,995. При этом чем выше температура ТГ* (больше область горения в жаровых трубах), тем большие значения коэффициента ηГ рекомендуется принимать.
Выбираем ηГ = 0,985.
20