термо и газдинаический расчет ТРД. Термо_и_газодинамический_расчет_DTRD_двигателя_1. 1. Термо и газодинамический расчет двигателя
 Скачать 0.6 Mb.
|
1 2 1. Термо и газодинамический расчет двигателя Выполним термодинамический расчет двигателя с тягой 425 кН. Данны его параметры: удельная тяга, удельный и часовой расход топлива, расход воздуха через наружный и внутренний контуры, коэффициенты полезного действия. Определены значения давления и температуры по тракту двигателя, нужные для газодинамического расчета. Проведем газодинамический расчет с определением частот и мощностей компрессоров и турбины. Исходными данными при расчете двухконтурных турбореактивных двигателей со смещением потоков являются. - тяга  ;- степень двухконтурности  ;- степень повышения давления в компрессоре внутреннего контура  ;- степень повышения давления в вентиляторе внешнего контура  ;- температура газов на выходе из камеры сгорания  - расчетные условия полета: высота  , число Маха  .1.1. Определение основных параметров газовоздушного потока по тракту двигателя Сечение 1-1 По таблицам международной стандартной атмосферы определяем значения обсалютной температуры и давления на расчетной высоте:  ;  .Определяем по заданному числу значения газодинамических функций  ;  .Вычичляем температуру и давление заторможенного потока:    где  - режим полета который равен 1; - потери давления воздуха во входном устройстве которая лежит в пределах 0.88-0.99, в нашем случае принимаем равным 0.88 Сечение 2вл – 2вл Находим эффективную работу и температуру торможения за вентилятором по формулам:  где k = 1.4 показатель адиабаты для воздуха;  - газовая постоянная для воздуха  = 0.86 – 0.88 - коэфициент полезного действия вентилятора   Определяем давление торможения за вентилятором в соответствие с формулой:  Сечение 2 - 2 Находим эффективную работу компрессора внутреннего контура и температуру торможения:   Значение коэфициента полезного действия компрессора внутреннего контура  = 0.8 – 0.88, Большие величины соответстsвуют меньшей степени сжатия.Вычисляем давление торможения:  Сечение 3 - 3 По графику зависимости  определяем коэффициент избытка воздуха при помощи найденной температуры  и заданной температуре  .α = 3 Находим расход топлива на 1 кг воздуха  по формуле  где  Вычисляем давление торможения в соответствие с формулой:  где σкс = 0.94 – 0.96 s Сечение 4 - 4 Вычисляем эффективную работу турбины по формуле:  где  ;  Температура торможения вычисляется в соответствие с формулой:  где  - постоянная адиабаты для газа; - газовая постоянная Подставляем в данную формулу известные значения температуры  и работы  и получаем значение температуры за турбиной: Вычисляем степень расширения газа в турбине и давление торможения:  где  коэфициент полезной действия турбины и в нашем случае берём равным 0,90;s Сечение Ф1 - Ф1 Определяем количество топлива, приходящееся на 1 кг воздуха в камере смешения:s  Находим коэфициент избытка воздуха в камере смешения:  Определяем температуру торможения при помощи уравнения энергитического баланса для потоков:  где  - истинные теплоёмкости зависящие от температуры и коэфициента избытка воздуха с точностью достаточной для инжинерных расчетов. Для того чтобы найти давление торможения за камерой смещения, воспользуемся формулой:s   где Сечение С - С Выбираем тип сопла. Для этого сравниваем отношение  критическим отношением давления  s В расчитываемом случае  и поэтому выбирается суживающееся сопло с неполным рассширением. Значение параметров на срезе сопла в этом случае равна критеческим; Определяем значение критических давлений, скорости, температуры и плотности потока;   где  в данном случае принимаем равным 0.96  1.2. Определение основных параметров двигателя Вычислим удельную тягу:  Пользуясь полученным значением удельной тяги, определяем расход воздуха через двигатель:  Расход воздуха через внутренний контур:  Расход воздуха через внешний контур  Определяем удельный расход топлива в соответствие с формулой:  Вычисляем эффективный КПД:  Цель газодинамического расчёта основных элементов Целью газодинамического расчета является, определение геометрических размеров двигателя, газодинмический расчёт компрессоров и турбин, определение их мощностей, частот вращения, уточнение и дополнения полученных в термодинамическом расчете параметров. Зная расход воздуха через двигатель, его давление и температуру в характерных сечениях и задаваясь на основание статистических данных осевой составляющей скорости воздуха и газов, можно при помощи уравнений расходов определить площади основных сечений проточной части. Опираясь на статистические данные по геометрическим характеристикам выполненных двигателей, можно определить диаметральные размеры основных элементов двигателя и таким способом спрофилировать его проточную часть. Согласно статистике окружной скоростью на концах рабочих лопаток компрессоров и согласуя эти скорости со скоростями турбин, на основание диаметральных размеров вычисляются частоты вращения роторов. Для нахождения основных размеров частей двигателя, компрессоров, турбин камеры сгорания и сопла можно использовать два метода: расчетный и статистический. Формулы для вычисления длин частей двигателя сложны и не дают результатов с необходимой точностью. Поэтому надо определять основные размеры, ориентируясь на серийные образцы двигателей. 2.1. Выбор параметров потока на входе в двигатель Необходимо выбрать тип первой ступени вентилятора дозвуковой или сверзвуковой и назначить величину осевой составляющей скорости воздуха на входе в ступень  и окружную скорость  на внешнем диаметре вентилятора. Рекомендуемые величины таковы: ;  Но при выборе окружной скорости лопаток и осевой скорости на входе в компрессор необхадимо учитывать следующее. Окружная скорость компрессора должна быть согласованна со скоростью турбины. При этом надо получить наибольшую работу в одной ступени при высоком коэффициенте полезного действия. Этому условию отвечает оптимальное сочетание работы турбины, окружной скорости и числа ступеней, определяемое параметром нагружения.  Для ротора турбины низкого давления  . Для нахождения оптимальной скорости вращения турбины среднего давления надо знать распределение работы сжатия по каскадам компрессора. На начальном этапе это распределение неизвестно. Но по статистике на компрессор низкого давления приходится 40 - 45% всей работы сжатия в компрессоре. КПД турбины рекомендуется принимать равным  Если принять  тогда получим  Это означает что осевая скорость  позволяет получить оптимальное сочетание параметров турбины низкого давления на расчётном режиме.Значение осевой скорости примем равным  Чтобы определить тип первой ступени вентилятора, находим относительную скорость на входе в первые рабочие лопатки на внешнем радиусе в предположение что вход осевой будет иметь вид:  где  Температура заторможенного потока в относительном движении  Определяем критическую и приведенную скорости:   Так как  превышает 1.2 - 1.25, то ступень считается дозвуковой.2.2. Определение размеров сечения на входе в вентилятор Площадь сечения на входе в первую ступень вентилятора определяется по уравнению:  причем секундный расход воздуха известен из термодинамического расчета; Коэфициент  определяется через постоянную адиабаты и газовую постоянную воздуха по формуле  - относительная плотность тока, определяется через приведенную скорость  по формуле  Зная все входящие в уравнение расхода величины, найдём площадь сечения на входе в первую ступень:  Для определения диаметров  и  необходимо выбрать значение относительного диаметра втулки первого рабsочего вентилятора  . Выбор проводят используя данные о относительном диаметре ступеней выполненных двигателей:Выбираем  и определяем внешний диаметр на входе двигателя По диаметру  находится диаметр втулки первой ступени   Окончательное значение диаметров:  ;  .2.3. Определение типа вентилятора и числа ступеней вентилятора (компрессора низкого давления) Вентилятор ТРДД может быть выполнен по различным конструктивным схемам. Для обоснования принятого схемного рещения надо по известной из термодинамического расчета работы сжатия в вентиляторе  определить число ступеней вентилятора и коэфициетн загрузки ступеней.Определяем работу первой вентиляторной ступени. Диаметр первой ступени велик, следовательно велико различие в окружных скоростях сечений и втулки, на среднем радиусе и на конце лопатки. Определяем работу  которую могут сообщить воздуху сечения лопатки у втулки, на диаметре условного условного цилиндрического сечения, разделяющего потоки первого и второго контура  . Диаметр условного цилиндрического сечения при равномерности поля скоростей на входе в двигатель. Окружные скорости в этих сечениях   Из термодинамического расчета известна работа  которую должны сообщить воздуху лопатки во втором контуре для получения заданной величины  . По этой ыработе и окружной скорости  определяем коэфициент загрузки первой ступени в сечение на диаметре    Определяем работу в сечение у втулки вентиляторной ступени  где  - закрутка воздуха в рабочих лопатках. Для закрутки имеется приближённое соотношение; где отношение  густота решетки которую выбираем равной 1.9 Получилось, что  . В таком случае необходимо принимать   Определяем работу в сечение на диаметре  по тем же формулам, но со значением закрутки  ы Принимяю схему вентилятора и компрессора низкого давления с подпорными ступенями. Необходимость постановки проыдпорных ступеней связанны с тем, что в ТРДД с большей степени двухконтурности  и большим диаметром  втулочные сечения вентиляторных ступеней работают с пониженными окружными скоростями. Напор ступени становится переменным по радиусу, так как втулочные сечения не могут обеспечить туже работу что и перферийные сечения рабочих лопаток.Определим работу ступени турбины  где  - угол выхода потока из сопловыого аппарата турбины высокого давления, примем равным   - окружная скорость лопаток турбины на среднем радиусе, примем равным   - скорость потока, определённая в предположении, что перепад давлений в сопловом аппарате критичесий.Определяем число ступеней турбины, пользуясь соотношением  Считаем что средняя работа ступени  величиной ранее и задаваясь  находим  Работу компрессора высокого давления найдем с помощью формулы  где  механический КПД ротора высокого давления  - относительное количество воздуха, отбираемого от компрессора на охлаждение сопловых и рабочих лопаток турбины. Это количество определяется по графику в зависимости от типа охлаждения. Теперь можно определить работу, приходящую присоединенные ступени  Используя найденное значение работы присоединённых ступеней, можно расчитать степень сжатия в компрессоре низкого давления:  Для обеспечения нужной степени сжатия надо 3 ступени. В этом случае  и данного числа ступеней ориентировачно должно хватить.Окончательно принимаем схему вентилятора и компрессора низкого давления с двумя вентиляторами и тремя присоединнеными ступенями. 2.4. Определение размеров сечения на выходе из вентилятора и КНД Сначало определяем параметры воздуха за компрессором низкого давления:   Наружный диаметр на выходе из рабочих лопаток сверхзвуковых ступеней  Осевую скорость воздуха  задают, исходя из того, что в сверхзвуковой ступени осевая скорость уменьшается на   Определяем относительную скорость потока в сечение  И относительную плотность потока  Определяем площадь кольцевого сечения контура  Внутренний диаметр второго контура  Для нахождения площади сечения за компрессором низкого давления задаётся осевой составляющейы скорости  считая, что подпорки ступени дозвукавые и в каждой ступени скорость снижается 5 – 10 м/с.Относительная скорость в сечении  Относительна плотность потока  По уравнению расхода находим площадь сечения компрессора низкого давления на выходе  Внешний диаметр на выходе КНД  Диаметры втулки, исходя из внешнего диаметра и площади сечения  1 2 |