Методы построения эксплуатационных характеристик

Эксплуатационные характеристики ТВаД могут быть получены в процессе специальных испытаний на стендах. ЭХ, полученные экспериментально, являются наиболее точными, так как учитывают все факторы, действующие в реальных условиях работы двигателя. Однако для их получения требуются дорогостоящие стенды. Поэтому, обычно, на наземных стендах экспериментально получают только ДХ.

Расчетные методы позволяют получать ЭХ с меньшими затратами сил и средств, а также получать ЭХ вновь проектируемых двигателей. ЭХ, получают в результате расчета N_е и c_е при различных значениях n, Т_н, р_н.

Основная сложность при расчете ЭХ заключается в том, что необходимо иметь характеристики отдельных узлов (ВЗ, ОК, КС, ГТ, РС) двигателя с нанесенными на них линиями рабочих режимов (ЛРР) в соответствии с заданной программой регулирования. Характеристики отдельных узлов также необходимо получить экспериментально или рассчитать с учетом максимального количества, действующих на узел факторов.

Таким образом, получение ЭХ расчетными методами с достаточно высокой точностью тоже требует значительных затрат сил и средств.

Для приближенной оценки двигателя с приемлемой точностью, при минимуме информации о нем, можно применить приближенные аналитические методы расчета ЭХ.

Сущность этих методов заключается в том, что характеристики всех узлов задаются приближенно, аналитическими зависимостями, либо численные значения коэффициентов потерь энергии в узлах двигателя и кпд узлов принимаются постоянными и задаются исходя из статистических данных для данного класса двигателей, что и определяет погрешность метода.

Учитывая, что современные ГТД имеют осевые компрессоры с высокой степенью регулирования, допущение о том, что кпд компрессора остается примерно постоянным при изменении условий эксплуатации и режима работы двигателя, является вполне корректным.

Контрольные вопросы:

1. Проанализировать особенности дросселирования ТВаД при постоянной частоте вращения ротора газогенератора.

2. Проанализировать особенности дросселирования ТВаД при комбинированной программе дросселирования.

3. Проанализировать особенности дроссельных характеристик ТВаД со СТ.

4. В чем практическая значимость интегральных дроссельных характеристик?

5. Как и почему изменится эффективная мощность ТВад при уменьшении атмосферной температуры воздуха?

6. Почему климатические характеристики протекают нелинейно?

Раздел 3 (мод. 3). Расчет тВаД

Лекция 7. Основы термогазодинамического расчета ТВаД

Вопросы лекции:

1. Основные этапы расчета ТВаД.

2. Предварительный расчет тВаД.

1. Основные этапы расчета тВаД

Термогазодинамический расчет является начальным этапом проектирования газотурбинного двигателя.

Целью термогазодинамического расчета ТВаД является:

1. Определение оптимальных параметров рабочего процесса ТВаД .

2. Определение параметров рабочего тела в характерных сечениях газового тракта ТВаД, основных параметров двигателя (N_уд; М_в; М_г; с_е; η_е; N_к; N_т), оценка геометрических размеров характерных сечений и частоты вращения ротора.

3. Построение дроссельных и климатических характеристик ТВаД.

Обычно исходными данными для проектируемого ТВаД являются: эффективная мощность N_e.p на расчетном (номинальном) режиме работы двигателя; расчетные температура Т_н и давление р_н наружного воздуха. Кроме этого задается желаемая или максимально допустимая величина удельного расхода топлива c_е.зад.

Газодинамический расчет ВРД производится в три этапа:

На первом этапе (предварительный расчет) определяют оптимальное сочетание параметров , которые обеспечивали бы приемлемую величину N_е.уд при заданном значении c_e.

Одним из способов решения задачи первого этапа является использование параметров двигателя-прототипа. Для этого, задаются рядом значений параметров рабочего процесса близких к значениям соответствующих параметров прототипа. По упрощенным формулам производят предварительный расчет N_е.уд и c_e для выбранного спектра значений параметров во всех их сочетаниях.

По результатам предварительного расчета строят графики зависимостей и (рис. 3.1, 3.2). Анализируя графики, определяют оптимальные значения параметров рабочего процесса , , , удовлетворяющие заданным требованиям по величине N_е.уд, c_e.

Примечание. Анализируя графики зависимостей ) и ), необходимо выбрать наивыгоднейшее сочетание и , которое принимается за «исходное» в дальнейших расчетах.

Выбор исходного сочетания и определяется назначением двигателя и условиями его работы. У мобильных ГТУ, работающих на относительно дешевом топливе (например – попутный газ при нефтедобыче) масса ГТУ в основном определяется массой ТВаД и поэтому желательно такое сочетание и , которое обеспечивает высокую N_уд, то есть меньшую массу двигателя при заданной эффективной мощности N_е. При относительно высокой стоимости или ограниченных запасах топлива большое значение приобретает снижение с_е, то есть увеличение экономичности. Поэтому в данном случае выбирают сочетание и , обеспечивающее меньшие значения с_е, если при этом даже несколько снижается N_уд.

При выборе исходных значений и особенно надо учесть также возможность их реализации в данной схеме двигателя. Так, например, большие значения (более 9…10) требуют применения двухкаскадного компрессора или эффективной его механизации с целью расширения диапазона устойчивой работы.

Рекомендуется выбирать исходные параметры, в известной мере ориентируясь на двигатель- прототип, то есть для значений с_е.зад(с_е.прот) и . В этом случае определяется следующими способами:

1. Например: если для и с_с = 180м/с удельные расходы топлива при равны соответственно с_е1 и с_е2 (см. рис.7.2), то выбрав с_с = 180м/с, можно определить по формуле:

; (3.1)

2. Например: если для и удельные расходы топлива при с_с = 180м/с и с_с = 200м/с равны соответственно с_е1 и с_е3 (см. рис.7.2), то выбрав , с_с можно определить по формуле:

; (3.2)

3. Если для всех сочетаний , и с_с с_е имеет меньшие значения, чем с_е.зад1(см. рис. 7.2), то можно задать с_е < с_е.прот(с_е.зад1), приняв < . При этом получится более экономичный двигатель с большим ресурсом.

Использование таких способов выбора и позволяет сохранить неизменным компрессор двигателя- прототипа.

Можно так же выбрать = 1400 K, а затем, зная значение с_е.зад, определить (см. рис. 3.2).

При проектировании двигателя без опоры на данные прототипа можно задаться значением максимально допустимой по условиям прочности газовой турбины, и рассчитать при которой обеспечивается наибольшая удельная мощность по формуле:

, (3.3)

а затем выбрать диапазон изменения в области прилегающей к .

Для полученных значений и производится предварительный расчет N_е.уд; c_e и, полученные результаты сравниваются с данными двигателя- прототипа.

Примечание. Выбор коэффициентов, учитывающих потери в узлах двигателя, для предварительного расчета производится исходя из уровня, достигнутого, для лучших двигателей аналогичного класса на момент проектирования.

Рис.3.1. Зависимости	Рис.3.2. Зависимости

На втором этапе, по выбранным оптимальным значениям , , с_с.опт, производят расчет параметров рабочего тела в характерных сечениях, определяют уточненные значения N_е.уд; c_e; М_в; М_г; η_е, N_к, N_т, а также оценивают геометрические размеры этих сечений, высоту рабочих лопаток компрессора и турбин, частоту вращения ротора n и количество ступеней турбин.

Результаты расчетов, полученные на втором этапе, в дальнейшем используются в качестве исходных данных для газодинамического расчета узлов двигателя (ОК, КС, ТК, СТ, ВУ).

На третьем этапе рассчитывают и строят зависимости N_е(n, р_н, Т_н) и с_e(n, р_н, Т_н) – дроссельные и климатические характеристики ТВаД, соответственно.