Добавил:

Sergey9963 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва (бывш. СГАУ, СамГУ)

Предмет:

Газотурбинные двигатели

Файл:

Курсовая Тад НК-86 Термогазодинамический расчет ТРДД НК-86 и газодинамическое проектирование турбины ВД .doc

Скачиваний:

Добавлен:

28.04.2020

Размер:

1.15 Mб

Скачать

☆

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

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 U_ТВД = 365 м/с z_ТВД = 1

π*_В_II = 2,03 G _{В Σ}= 288 кг/с U_ТНД = 2351 м/с z_ТНД = 2

π*_Квд = 4,1 P_Σ=130 кН У*_ТВД = 0,510 z _В = 2

m = 1,18 У*_ТНД = 0,486 z_КВД = 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 С_уд и Р_уд, а также оцениваются тяга и полный расход воздуха G_в_∑.

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 G_{В 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

π_кнд = 3,16 z_В = 2 Т_Г* = 1172 К η *_ТВд= 0,9300 ; η *_ТНд = 0,9290

π_Квд = 4,1 z_КВД = 6 η_Г = 0,995 η_m_В_д= 0,9950 ;η_m_Нд = 1,00

η*_в = 0,846 σ_К.С. = 0,9450 U_ТВДср = 365м/с ; U_ТНДср = 235 м/с

η *_кНд = 0,865 z_ТВД = 1 ; z_ТНД = 2

η *_К_ВД = 0,874 У*_ТВД = 0,510 ; У*_ТНД = 0,486

Реактивное сопло Переходники

φ_с_i = 0,985 σ_i = 0,982

σ_п.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 G_m - расход топлива кг/с.

q_m₀ = 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(λ_c) = 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 P_УД = 0,41767 кН/кг ∙с ^-1 отличается от

данных прототипа (P_УД = 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 C_УД = 57,828 кг/ кН ∙ч отличается от дан-ных прототипа (C_УД = 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 D_ср/ h₂ :

где h₂ - высота рабочих лопаток на выходе из турбины ВД;

ε_Т - параметр напряжений, в пределах (13 . . . 18) ·10 ³ м ² / с².

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 c₂_a/c₀= 1,5 из интервала 1,2…1,9, тогда:

Определяется значение λ_С2а:

; .

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:

S_вт = к·D_ср ,

где к_СА = 0,055...0,065, к_РК = 0,04...0,05.

для расчета принимается к_СА = 0,06, к_РК = 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 ²_{ср_}_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 λ_C₁_S и  определяется коэффициент восстановления полного давления σ_СА с помощью графика на рисунке 3 [5]:

принимается σ_СА = 0,963.

37. Угол выхода потока из сопловых лопаток:

где h_1л = 0,044 - берется на соответствующем сечении меридиональной формы проточной части турбины высокого давления (приложение В)

38. В зависимости от λ_С₁_S 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:

α_{1 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 z_CA_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 w₁_u > 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:

Т_2S = 937,8 К; i_2S =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( λ_w2) = 0,96182 [1].

63. В зависимости от значений  = 0,96 и λ _W2S = 0,854047617 определяется коэффициент восстановления полного давления σ_РК по графику рисунка 3 [5]:

σ_РК=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:

β_{2 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 z_CA_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 w₂_u > 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: