Расчет топливной системы.Механика жидкости и газа. Семочкина М2О-210Б-18 МЖГГ. Расчет топливной системы двигателя
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) _______________________________________________ Кафедра «Теория воздушно-реактивных двигателей» Курсовая работа по дисциплине «Механика жидкости и газа» на тему «Расчет топливной системы двигателя» Вариант 11 Выполнила студентка гр. М2О - 210Б - 18 Семочкина Ксения Андреевна Консультант Ф.И.О. Москва – 2020 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) Кафедра «Теория воздушно-реактивных двигателей» Курсовая работа по дисциплине «Механика жидкости и газа» на тему «Расчет топливной системы двигателя» Группа М2О-210Б-18 Студент Семочкина Ксения Андреевна Данные для расчета 1. Марка топлива керосин Т1 2. Максимальная высота полета Н =11 км 3. Расход топлива через все форсунки Gнр = 0.5 кг/с 4. Число форсунок двигателя nФ = 6 5. Расход топлива через дополнительный центробежный насос Gдцн = 0.7 кг/с 6. Расход топлива через подкачивающий насос Gпн = 0.8 кг/с 7. Давление топлива за насосомрегулятором p7 = 40 105 Па 8. Давление газа в камере сгорания двигателя pкс = 7 105 Па 9. Температура топлива в баке t = 43С 10. Максимальная средняя скорость движения топлива в трубах Wmax = 2.2 м/с 11. Кавитационный запас давления на входе в насосы pпн = 0.15 105 Па pдцн = 0.7 105 Па pнр = 2 105 Па 12. Коэффициенты полезного действия насосов пн = 0.7 дцн = 0.7 нр = 0.7 13. Длина трубопроводов l3-4 = 5 м, l5-6 = 0,5 м 14. Потери на участке трубопровода 7ф задаются коэффициентом местного сопротивления 7-ф = 10 15. Расстояния различных участков трубопровода от нивелирной плоскости: z0 = 2,5 м; z1 = 2,0 м; z2 = z3 = 1,95 м; zФ = 0,8 м; z4 = z5 = z6 = 1,3, м 16. Относительный радиус закругления колена трубопровода R/d = 1,5 17. Трубопровод технически гладкий В результате гидравлического расчета требуется определить: 1. Давление наддува бака p0, Па 2. Диаметры трубопроводов d, мм 3. Давление за насосами p3, p5, p7, Па 4. Мощности, потребные для привода насосов Nпн, Nдцн, Nнр, кВт 5. Диаметр сопла струйной форсунки dc, мм 6. Скорость истечения топлива из форсунки Wкc м/с 7. По результатам расчетов строятся графики изменения полного напора Н и его составляющих zg, р/, W2/2 вдоль топливной магистрали Задание выдал _____________________ « ____ » _______________ 20 ___ г. 1. ОПИСАНИЕ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Топливная система двигателя предназначена для непрерывной подачи топлива в камеру сгорания. Упрощенная схема топливной системы воздушно-реактивного двигателя приведена на рис. 1.1. Она состоит из топливного бака, подкачивающего насоса (ПН), редукционных клапанов, крана, фильтра, колена трубопровода с поворотом на 90°, дополнительного центробежного насоса (ДЦН), насоса-регулятора (НР) и коллектора со струйными форсунками. Редукционные клапаны входят в конструкцию насосов, потери в них можно не учитывать.  Рис. 1.1. Упрощенная схема топливной системы воздушно-реактивного двигателя Для того чтобы обеспечить бесперебойную подачу топлива на всех участках топливной магистрали, и особенно на переменных режимах работы двигателя, необходимо иметь запас по производительности предыдущего насоса по сравнению с последующим, т.е. GПН > GДЦН > GНР. Избыток топлива перепускается через редукционные клапаны на вход в насосы. Насос-регулятор НР приводится в действие от основного двигателя через механическую передачу и так же, как другие насосы, предназначен для повышения полного напора жидкости, который расходуется на преодоление сопротивления магистрали от насоса НР до форсунок и на создание большой скорости истечения топлива из форсунок Wс. 2. РАСЧЕТ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ 1. По Международной стандартной атмосфере (табл. 2.1) определяется давление рн на заданной высоте полета Н. Таблица 2.1 Международная стандартная атмосфера (МСА)
При заданной высоте полета H = 11 км pн = 22690 Па. 2. По графикам рис. 2.1 находятся параметры топлива: плотность ρ, динамический коэффициент вязкости μ и давление насыщенных паров рs, соответствующие заданной температуре топлива t °C.  Рис. 2.1. Физические параметры керосина Т-1 На рис. 2.1 температура топлива указана в градусах Кельвина: Т = t + 273. Для данного варианта t = 43 °C; T = 34 + 273 = 316 K ρ = 800 кг/м3 μ = 10-3 Нс/м2 рs = 1.25 ·104 Н/м2 3. По формулам F = G/ρWmax ; (2.1) d =  . (2.2)рассчитываются площади и диаметры трубопроводов на всех участках топливной магистрали: участках 1 – 8, 9 – 10, в коллекторе и участке 11 – ф. При расчете площадей в выражение (2.1) подставляются следующие расходы: на участке 1 – 8: расход топлива через насос-регулятор Gнр; на участке 9 – 10: Gнр/2; в коллекторе: Gнр/4; на участке 11 – ф: Gнр/6. Расход топливаGнрприводится в данных для расчета и равен 1.1 кг/с, максимальная средняя скорость движения топлива в трубах Wmax = 1.8 м/с, плотность была найдена в п. 2 ρ = 810 кг/м3. Участок 1-8   Участок 9-10   Коллектор   Участок 11-ф   По рассчитанным значениям диаметров участков топливной магистрали необходимо выбрать диаметры труб, из которых будет изготавливаться эта магистраль. Эти диаметры, выраженные в миллиметрах, должны быть целыми числами, превосходящими по значению дробные диаметры, полученные в результате расчетов по формулам (2.1) и (2.2). Принимаем: d1-8 = 0,02 м; d9-10 = 0,01 м; dкол = 0,01 м, d11-ф = 0,01 м. Так как при заданных расходах топлива и изменении диаметров трубопроводов изменилась скорость топлива, то необходимо пересчитать площади трубопроводов и скорости топлива, используя формулы:   При этом скорость W будет меньше заданной максимальной скорости топлива в трубопроводе Wmax и может быть различной на разных участках топливной системы: 1 – 8, 9 – 10, коллекторе и 11 – ф. Перерасчет Участок 1-8 F1-8 =   W1-8 =   Участок 9-10 F9-10 =   W9-10 =   Коллектор Fкол =   Wкол =   Участок 11-ф F11-ф =   W11-ф =   4. Определяется давление топлива в сечении 2 (перед подкачивающим насосом)  Давление насыщенных паров топлива  было найдено в п.2; pпн = 0,15 105 Па 5. Рассчитывается давление в баке р0. Для этого записывается уравнение Бернулли для сечений 0 и 2:  В этом уравнении z0 и z2 являются заданными величинами; g = 9,81 м/с2. Так как F0 >> F2, то W2 >> W0, и скоростью W0 по сравнению со скоростью W2 можно пренебречь. Гидравлические потери lгидр.0-2 складываются из местных потерь на входе в трубопровод, обусловленных внезапным сужением канала  и потерь на трение на участке трубопровода 1 – 2  Для расчета коэффициента местных потерь при внезапном сужении канала используется формула:  Так как F1/F0 << 1, то в данном случае можно считать ξ0-1 = 0,5. Скорость W1-2 и диаметр d1-2 на участке 1-2 рассчитаны ранее (п. 3). Длина l1-2 = z1 - z2. Коэффициент трения ξтр.1-2 определяется следующим образом: находится число Рейнольдса Re = ρW1-2d1-2/μ. Если Re < 2300, то  если 2300 < Re < 105, то  если Re > 105, то  .Если окажется, что р0 > рн, то необходим наддув бака на величину (р0 - рн). Определяем местные потери на участке 0-1: = Число Рейнольдса  Полученное число Рейнольдса удовлетворяет неравенству 2300 < Re < 105, следовательно для расчета коэффициента трения используется формула   Зная коэффициент трения, можно рассчитать потери на трение на участке трубопровода 1-2:  l1-2 = z1 - z2 = 2 – 1,95 = 0,05 м Гидравлические потери lгидр.0-2 = lм0-1 + lтр.1-2:  Рассчитываем давление в баке р0. Из записанного выше уравнения Бернулли для сечений 0 и 2 получаем выражение:  Т.к. p0 > pн (pн было найдено в п.1 и равняется 12028 Па), то необходим наддув бака на величину p0 – pн = 25650 – 22690 = 2960 Па 6. Определяется давление топлива р1. Для этого записывается уравнение Бернулли для сечений 1 и 2:  В этом уравнении W1 = W2; z1 и z2 приведены в задании на курсовую работу; плотность топлива ρ определена в п. 2 расчетов, а давление р2 - в п. 4 расчетов; g = 9,81 м/с2. Гидравлические потери lгидр.1-2 равны потерям на трение на участке трубопровода 1-2 lтр.1-2, найденным в п. 5 расчетов. Из уравнения Бернулли для сечений 1 и 2:  а7. Находится давление перед дополнительным центробежным насосом р4. Это давление определяется также, как давление р2:  Давление насыщенных паров рs было найдено в п.2;  дано в данных для расчета.8. Рассчитывается давление р3. Оно определяется из решения уравнения Бернулли, записанного для сечений 3 и 4 топливной магистрали:  В этом уравнении W3 = W4; z3 и z4 заданы в задании на курсовую работу; плотность топлива ρ определена в п. 2 расчетов, а давление р4 - в п. 7 расчетов; g = 9,81 м/с2. Гидравлические потери 3.3-4 в правой части уравнения Бернулли включают местные потери на кране, фильтре, колене и потери на трение на участке трубопровода между сечениями 3 и 4 протяженностью l3-4. Суммарные местные потери полного напора на кране, фильтре и колене равны:  Скорость W3-4 определена в п. 3 расчетов. Коэффициенты местных сопротивлений крана ξкр и фильтра ξф находятся по графикам на рис. 2.2. При этом надо знать значение числа Рейнольдса Re =ρW3-4d3-4/μ, которое равно его значению, определенному в п. 5 расчетов - Re = 31830 . Потери на трение рассчитываются по формуле:  В этой формуле: длина l3-4 задана в задании на курсовую работу; W3-4 и d3-4 определены в п.3 расчетов, а ξтр.3-4 = ξтр.1-2 (ξтр.1-2 найден в п. 5 расчетов). По графику на рис. 2.2. определяем коэффициенты местных сопротивлений крана ξкр и фильтра ξф Д  ля числа Рейнольдса Re =31830ξкр = 5 ξф = 7 Рис. 2.2. Зависимость коэффициентов местных сопротивлений от числа Рейнольдса Re: 1 – мембрана прорыва; 2 – фильтр; 3 – клапан; 4 – регулятор; 5 – кран; 6 – обратный клапан По графикам на рис. 2.3. определяем коэффициенты a и b для расчета коэффициента местного сопротивления колена  Для относительного радиуса закругления колена трубопровода R/d = 1,5  (дано в данных для расчета)a = 0,23 b = 1 Рис. 2.3. Зависимости коэффициентов а = f (R/d) иb = f(δ°), входящих в формулу для расчета местного сопротивления колена ξкол = 0,73аbc; для трубопроводов круглого и квадратного сечений с = 1. Следовательно,  Определив коэффициенты местных сопротивлений, рассчитаем суммарные местные потери полного напора на кране, фильтре и колене:  Рассчитаем потери на трение:  Гидравлические потери:  Из уравнения Бернулли для сечений 3 и 4:  = 9. Находится давление перед насосом-регулятором р6:  Здесь: рs – давление насыщенных паров керосина, определенное в п. 2 расчетов; Δрнр – кавитационный запас давления на входе в насос-регулятор (указан в задании на курсовую работу). 10. Рассчитывается давление за дополнительным центробежным насосом (в сечении 5) р5. Записывается уравнение Бернулли для участка топливной магистрали 5-6:  С учетом того, что W5 = W6, z5 = z6 это уравнение принимает вид:  Гидравлические потери на участке трубопровода 5 - 6 представляют собой потери на трение и определяются по формуле  Длина трубопровода l5-6задана в задании на курсовую работу, скорость W5-6 и диаметр d5-6 определены в п. 3 выполнения расчетов. Коэффициент трения ξтр.5-6 = ξтр.1-2 (ξтр.1-2 найден в п.5 расчетов). Из уравнения Бернулли для участка 5-6:  11. Рассчитывается давление рф. Для этого записывается уравнение Бернулли для сечений 7 и ф:  Скорости W7 и Wф определены в п. 3 выполнения расчетов (W7 = W7-8; Wф = W11-ф). Давление р7, высоты zфи z7 заданы в задании на выполнение курсовой работы. Гидравлические потери lгидр.7-ф находятся по формуле:  В данной курсовой работе принимается: ξ7-ф = 10. Из уравнения Бернулли для сечений 7 и ф:  12. Проводится расчет струйной форсунки в следующей последовательности: 12.1. определяется полное давление топлива перед соплом форсунки рф*:  Здесь: Wфи pф – скорость и давление топлива в сечении ф перед соплом форсунки; скорость Wф = W11-ф найдена в п. 3, а давление pф - в п. 11 расчетов. 12.2. определяется перепад давления в форсунке:  В этой формуле: ркс – давление в камере сгорания, заданное в задании на курсовую работу. 12.3. в первом приближении задается значение коэффициента расхода μф = μф' (μф'  0,6).Задаем μф' =0,6 12.4. определяется теоретический расход топлива Gт:  Gф – расход топлива через одну форсунку; Gф = Gнр/nф (в данной работе nф = 6).  12.5. находится теоретическая скорость истечения топлива из форсунки Wт:  Здесь: Δрф – перепад давления топлива в форсунке, определенный в п. 12.2 расчетов; ρ - плотность топлива, найденная в п. 2 расчетов. 12.6. по формулам Fс = Gф.т./ρWт ; dс =  определяются площадь Fс и диаметр dc сопла форсунки. В этих формулах: Gф.т - теоретический расход топлива через одну форсунку (см. п. 12.4 расчетов); ρ - плотность топлива, найденная в п. 2 расчетов; Wт - теоретическая скорость.   12.7. по теоретической скорости Wт рассчитывается число Рейнольдса Reт =ρWтdс/μ Здесь ρ и μ - плотность и динамический коэффициент вязкости топлива (см. п. 2 расчетов); dc – диаметр сопла форсунки (см. п. 12.6 расчетов); Wт - теоретическая скорость истечения топлива из форсунки (см. п. 12.5 расчетов).  12.8. по графикам на рис. 2.4 находятся значения коэффициента скорости φ и коэффициента совершенного сжатия струи ε.  Для полученного числа Рейнольдса Reт = 133000 φ = 0,97 ε = 0,61 Рис. 2.4. Зависимость коэффициентов расхода μ, скорости φ и сужения струи ε от числа Рейнольдса Re 12.9. определяется коэффициент несовершенного сжатия струи εн:  В этой формуле: ε - коэффициент совершенного сжатия струи (определен в п. 12.8);  – отношение площади сопла к площади камеры форсунки: Диаметр сопла форсунки dc определен при выполнении п. 12.6 расчетов, а диаметр камеры форсунки dф равен диаметру трубопровода на участке 11 – ф, найденному в п. 3 расчетов: dф = d11-ф   12.10. рассчитывается уточненное значение коэффициента расхода μф:  12.11. сравниваются значения μф и μф'. Если 0,98μф' <μф <1,02μф', то расчет форсунки прекращается, а если μф <0,98μф' или μф >1,02μф', то вычисления повторяются, начиная с п. 12.4. Т.к. 0,98μф' = 0,588; 1,02μф' = 0,612;  и 0,98μф' <μф <1,02μф', то расчет форсунки прекращается.12.12. определяется коэффициент сопротивления форсунки ξф:  12.13. рассчитываются потери полного напора в форсунке lф:  13. Определяются мощности, потребные для привода насосов: подкачивающего, дополнительного центробежного и насоса-регулятора. Для каждого насоса рассчитываются: 13.1. удельные работы    13.2. мощности    14. Для сечений 0, 1, … , ф, кс рассчитываются составляющие полного напора gzi, рi/ρ, Wi2/2 и полный напор  (i – номер сечения трубопровода: i = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ф, кс). В камере сгорания полный напор струи топлива определяется по формуле:  В этой формуле: высота zф и давление ркс приведены в задании на курсовую работу; скорость Wкс = Wт·φ (скорость Wт и коэффициент скорости φ берутся из п. 12.5 и 12.8 расчетов); g = 9,81 м/с2.           Результаты расчетов заносим в таблицы 2.2–2.4. Таблица 2.2 Потери полного напора на трение
Таблица 2.3 Местные потери полного напора
Таблица 2.4 Результаты расчетов полного напора топлива и его составляющих по длине топливной магистрали
По результатам расчетов строятся графики изменения полного напора Н и его составляющих zg, р/ρ, W2/2 вдоль топливной магистрали (рис. 2.5).     Рис. 2.5. Изменение полного напора и его составляющих вдоль топливной магистрали В результате гидравлического расчета были определены: 1. Давление наддува бака p0 = 25650 Па 2. Диаметры трубопроводов d1-8=19 мм, d9-10=13 мм, dкл=10 мм, d11-ф=8 мм 3. Давление за насосами p3 = 78290 Па, p5 = 213400 Па, р7 = 4000000 4. Мощности, потребные для привода насосов Nпн = 72.551Вт, Nдцн = 163.672Вт, Nнр= 3382Вт 5. Диаметр сопла струйной форсунки dc = 2 мм 6. Скорость истечения топлива из форсунки Wкc=87.967 м/с По результатам расчетов построены графики изменения полного напора Н и его составляющих zg, р/ρ, W2/2 вдоль топливной магистрали Проверка правильности расчетов по курсовой работе Если разность полных напоров (Hi – Hj) отличается от гидравлических потерь lгидр.i-j не более чем на 5%, то расчеты выполнены верно. Hi – Hj = lгидр.i-j Сечения 0-2: H0 – H2 = lгидр.0-2 H0 – H2 = 55.594 – 55.477 = 1.107 Дж/кг lгидр.0-2 = lм0-1 + lтр1-2 = 0.117 + 0.989 = 1.107 Дж/кг Разность полных напоров (H0 – H2) отличается от гидравлических потерь lгидр.0-2 не более, чем на 5%, следовательно, расчеты выполнены верно. Сечения 1-2: H1 – H2 = lгидр.1-2 H1 – H2 =  – 55.477 = 0.117 Дж/кгlгидр.0-2 = lтр1-2 = 0.117 + 0.989 = 0.117 Дж/кг Разность полных напоров (H1 – H2) отличается от гидравлических потерь lгидр.1-2 не более, чем на 5%, следовательно, расчеты выполнены верно. Сечения 3-4: H3 – H4 = lгидр.3-4 H3 – H4 = 118.949 – 83.133 = 35.828 Дж/кг lгидр.3-4 = lм3-4 + lтр3-4 = 24.113 + 11.715 = 35.828 Дж/кг Разность полных напоров (H3 – H4) отличается от гидравлических потерь lгидр.3-4 не более, чем на 5%, следовательно, расчеты выполнены верно. Сечения 5-6: H5 – H6 = lгидр.5-6 H5 – H6 = 281.524 – 280.353 = 1.172 Дж/кг lгидр.5-6 = lтр5-6 = 1.172 Дж/кг Разность полных напоров (H5 – H6) отличается от гидравлических потерь lгидр.5-6 не более, чем на 5%, следовательно, расчеты выполнены верно. Сечения 7-ф: H7 – Hф = lгидр.7ф H7 – Hф = 5015 – 4995.2 = 19.8 Дж/кг lгидр.7ф = Разность полных напоров (H7 – Hф) отличается от гидравлических потерь lгидр.7-ф не более, чем на 5%, следовательно, расчеты выполнены верно. |
