Построение решеток профилей для компрессора и турбины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Целью данной работы является расчет параметров потока и построение решеток профилей для компрессора и турбины.

Для достижения высоких значений КПД ступени компрессора необходимо установить взаимосвязь кинематических параметров потока в элементах ступени, расположенных на различных радиусах.

Реальное течение воздуха в компрессоре является пространственным, периодически неустановившимся течением вязкого сжимаемого газа, математическое исследование которого в строгой постановке задачи в настоящее время практически невозможно. Для получения инженерных результатов реальное течение обычно рассматривается как установившееся, осесимметричное (без радиальных составляющих скорости при движении по соосным цилиндрическим поверхностям), при постоянстве гидравлических потерь по радиусу. Для расчета осесимметричного течения в венцах турбомашины в настоящее время широко применяются численные методы. В упрощенном варианте считают, что поток движется в осевой ступени согласно уравнению радиального равновесия.

Газодинамический расчет турбины, как правило, выполняется в предположении, что параметры потока на среднем радиусе соответствуют параметрам, осредненным по высоте лопатки. Для того, чтобы проектируемая турбина обеспечивала заданную мощность и обладала высоким КПД, лопаточные венцы ее должны обеспечивать на всех радиусах проточной части расчетные поворот и ускорение потока при возможно меньших потерях энергии. Выполнение этих требований достигается как выбром закона закрутки потока по радиусу, так и конструированием профильной части (профилированием) сопловых и рабочих рашеток.

В реальной практике процесс профилирования турбинных лопаток достаточно сложный и трудоемкий, требующий учета зачастую противоречивого влияния газодинамических, прочностных, конструктивных и технологических факторов. При этом оптимальная конструкция пера лопатки является результатом варьирования многочисленных параметров, что и создает предпосылки применения в подобных расчетах ЭВМ.



1. Расчет и построение решеток профилей дозвукового осевого компрессора

Исходными данными для профилирования рабочей лопатки компрессора является газодинамический и кинематические параметры профилируемой ступени на среднем радиусе, получаемые в результате газодинамического расчета многоступенчатого осевого компрессора. Далее по выбранному закону крутки потока и по соответствующим формулам рассчитываются все параметры на пяти сечениях.

Одним из распространенных типов ступеней с предварительной закруткой, возростающей от втулки к периферии при постоянном значении

, является так называемая ступень с постоянной степенью реактивности.

Закон постоянства степени реактивности ступени обеспечивает значительно более благоприятное распределение предварительной закрутки и менее сильное изменение числа по радиусу. При этом осевая составляющая скорости воздуха перед колесом в ступени с уменьшается к периферии и увеличивается к основанию лопаток.

Лопатки ступени с постоянной степенью реактивности должны быть сильно изогнуты в своей периферийной части и почти не отклоняют поток у корня. Этот фактор увеличивает КПД ступени.

Экспериментальные эпюры осевых скоростей в таких ступенях удовлетворительно согласуются с расчетными в средней части лопаток, где нет влияния пограничных слоев на корпусе и у втулки ступени.

Преимуществом закона крутки является возможность использовать более высокие значения окружных скоростей в связи с меньшим изменением по радиусу.

Ступени с постоянной степенью реактивности находят широкое применение в качестве первых ступеней дозвуковых осевых компрессоров.

Проектирование элементов проточной части компрессора для получения высоких КПД должно выполняться с учётом изменений параметров газа по высоте лопатки. При этом допустимо применять постоянные полные давления и температуры воздуха перед ступенью компрессора в радиальном и окружном направлениях. Рассчитывая ступень компрессора вполне достаточно определить параметры потока и треугольники скоростей в пяти сечениях.

Для достижения высоких КПД ступени необходимо установить взаимосвязь кинематических параметров потока в элементах ступени, расположенных на различных радиусах, т.е. рассчитать поток в решетках по радиусу.

осевой компресор газовый турбина

1.1 Расчет кинематических параметров потока по радиусу в первой ступени дозвукового компрессора

Исходными данными для определения кинематических параметров потока по радиусу являются данные расчета ступеней компрессора на среднем радиусе, а так же заложенные в техническом задании параметры ГТД:

- степень повышения давления в ступени компрессора ;

- окружная скорость ;

- теоретический напор ;

- КПД ступени ;

- коэфициент восстановления полного давления в направляющем

аппарате ;

- ;

- относительный диаметр на входе в РК ;

- относительный диаметр на выходе из РК ;

- осевая составляющая абсолютной скорости на входе в РК

;

- окружная составляющая абсолютной скорости на входе из РК

;

- полная температура на входе в РК ;

- полное давление на входе в РК ;

-относительный периферийный диаметр проточной части;

- .

Исходные данные газодинамического расчета ступени дозвукового осевого компрессора размещаются в файле исходных данных ock.dat (таблица 1.1). Результаты расчета, получаемые по программе ock.exe, заносятся в файл ock.rez (таблица 1.2). Данные необходимые для построения планов скоростей представлены в таблице 1.3.

Помимо таблицы расчетных данных, программа ock.exe позволяет для большей наглядности представить результаты расчета в графической форме.

Таблица 1.1 - Исходные данные

Таблица 1.2 - Результаты расчета кинематических параметров ступени дозвукового осевого компрессора



Таблица 1.3 - Расчет некоторых параметров планов скоростей

Параметры	Размер-ность	Сечение
		втулочное	среднее	периферийное
	м/с	279.500	279.900	279.400
	м/с	189,900	195,400	198,710
	м/с	328,511	327,882	327,493
	-	0,851	0,854	0,853
	м/с	227,420	210,220	191,790
	м/с	254,760	258,020	246,750
		393,653	393,238	394,646
	-	0,647	0,656	0,625
	град	71,220	61,870	53,030
	град	51,190	42,900	33,630
	град	42,320	38,760	33,950
	град	60,800	56,680	45,440
	град	20,030	18,970	19,400
	град	18,480	17,920	11,490

Полученные графические зависимости параметров потока от высоты лопатки рабочего колеса данной ступени изображены на рисунках 1.1-1.3

Рисунок 1.1 - Изменение и по радиусу лопатки РК

Рисунок 1.2 - Изменение и по радиусу лопатки РК



Рисунок 1.3 - Изменение и по радиусу лопатки РК

Полученные треугольники скоростей изображены на рисунках 1.4-1.8

Рисунок 1.4 - Планы скоростей в сечении 1

Рисунок 1.5 - Планы скоростей в сечении 2



Рисунок 1.6 - Планы скоростей в сечении 3

Рисунок 1.7 - Планы скоростей в сечении 4

Рисунок 1.8 - Планы скоростей в сечении 5

1.2 Расчет геометрических параметров решеток профилей и профилей лопатки рабочего колеса на инженерном калькуляторе

Ниже представлены результаты расчета лопаток и решетки профилей рабочего колеса первой ступени дозвукового компрессора. Расчет параметров потока по радиусу осуществлен по закону закрутки .

На первом этапе расчета выбраны значения ,, определена величина густоты решетки на среднем радиусе , посчитаны и уточнены значения , ,,(таблица 1.4).

Таблица 1.4 - Расчет параметров решетки на среднем радиусе

Параметры	Размерность	Величина
	м	0,420
	м	0,377
	м	0,328
	м	0,046
	-	1,800
	м	0,025
	град	17,920
	-	0,900
	град	19,911
	град	56,680
	град	18,000
	-	1,106
	-	1,090
	м	0,023
	шт.	50,657
	шт.	51,000
	м	0,023
	м	0,025
	-	1,812

На втором этапе определены параметры лопаток и решеток профилей РК по радиусу (таблица 1.5).



Таблица 1.5 - Расчет параметров лопаток и решеток профилей по радиусу

Параметры	Размерность	Сечение
		втулочное	среднее	периферийное
	м	0,025	0,025	0,025
	м	0,328	0,377	0,420
	м	0,020	0,023	0,026
	-	1,252	1,090	0,978
	град	0,000	0,000	0,000
	град	60,800	56,680	45,440
	-	0,500	0,500	0,500
	-	0,288	0,297	0,319
	град	18,480	17,920	11,490
	град	24,899	25,032	16,963
	град	6,419	7,112	5,473
	град	42,320	38,760	33,950
	град	42,320	38,760	33,950
	град	67,219	63,792	50,913
	-	0,500	0,500	0,500
	град	12,449	12,516	8,481
	град	12,449	12,516	8,481
	м	0,114	0,114	0,169
	м	0,059	0,058	0,086
	м	0,025	0,025	0,025
	град	54,769	51,276	42,431
	м	0,021	0,020	0,017
	-	0,075	0,055	0,040
	м	0,002	0,001	0,001
	м	0,014	0,016	0,016
	м	0,014	0.014	0,014
	-	1,000	1,090	1,180
	-	0,880	0,850	0,750
	-	0,990	0,960	0,860
	-	0,081	0,905	0,935
	-	0,854	0,853	0,851

1.3 Построение профилей лопаток и решеток профилей

Построение профилей лопаток состоит из зтапов построения средней линии и самого азродинамического профиля. Из одинаковых профилей, расположенных с заданой густотой под углами установки к фронту решетки, составляют решетки профилей. Существуют аналитические и графоаналитические методы построения профилей лопаток и решеток профилей. Аналитические методы являются более точными и широко применяются в практике современного турбомашиностроения. Графоаналитические методы целесообразнее для учебных целей в связи с наглядностью и меньшей трудоемкостью вычислений. В данном курсовом проекте будем использовать графоаналитический метод построения профилей лопаток.

Построение средней линии профиля

При выбранной дуге средней линии пера профиля в виде дуги окружности разбивают хорду на равное число участков, например через 10% всей длины хорды, совпадающей с осью абсцисс.

Рассчитанные координаты точек средней линии представлены в таблице 1.6.

Таблица 1.6 - Результаты расчета координат средней линии

%	xcp вт	ycp вт	xcp ср	ycp ср	xcp пер	ycp пер
0	0	0	0	0	0	0
10	2,5274	0,5022	2,53	0,5049	2,5274	0,3392
20	5,0547	0,8927	5,0547	0,8977	5,0547	0,6030
30	7,5821	1,1717	7,5821	1,1782	7,5821	0,7914
40	10,109	1,3391	10,109	1,3465	10,109	0,9045
50	12,637	1,3949	12,637	1,4026	12,637	0,9422
60	15,164	1,3391	15,164	1,3465	15,164	0,9045
70	17,691	1,1717	17,691	1,1782	17,691	0,7914
80	20,219	0,8927	20,219	0,8977	20,219	0,6030
90	22,746	0,5022	22,746	0,5049	22,746	0,3392
100	25,274	0,00	25,274	0,0000	25,274	0,0000

В качестве исходного аэродинамического профиля в дозвуковых ступенях используется обычно один из симметричных профилей, рассчитанных на работу при дозвуковых скоростях потока.

Эскиз исходного аэродинамического профиля А- 40 и его координаты ( в процентах от длины хорды b, - в процентах от величины максимальной толщины профиля ) представлены в таблице 1.7.

Таблица 1.7 - Относительные координаты исходного аэродинамического профиля

0	0,000
1	0,114
1,5	0,143
2,5	0,185
5	0,255
7,5	0,309
10	0,353
15	0,416
20	0,455
25	0,479
30	0,493
35	0,499
40	0,500
50	0,486
60	0,444
70	0,378
80	0,285
90	0,172
95	0,100
100	0,000

Результаты пересчета координат исходного профиля в координаты расчитанного профиля сводятся в таблицу 1.8.

Таблица 1.8 - Координаты рассчитанного профиля

Х, мм	Сечение
	Втулочное	Среднее	Периферийное
0,000	0,000	0,000	0,000
0,350	0,296	0,217	0,197
0,525	0,371	0,272	0,247
0,875	0,480	0,352	0,320
1,750	0,662	0,485	0,441
2,625	0,802	0,588	0,535
3,500	0,915	0,671	0,610
5,250	1,080	0,792	0,720
7,000	1,181	0,866	0,787
8,750	1,243	0,911	0,829
10,500	1,279	0,938	0,853
12,250	1,294	0,949	0,863
14,000	1,298	0,952	0,865
17,500	1,261	0,925	0,841
21,000	1,153	0,846	0,769
24,500	0,982	0,720	0,655
28,000	0,740	0,543	0,493
31,500	0,447	0,328	0,298
33,250	0,260	0,191	0,174
35,000	0,000	0,000	0,000

Таблица 1.9 - Расчетные радиусы скругления

	Втулочное	Среднее	Периферийное
R1	0,1043	0,0765	0,0556
R2	0,0948	0,0695	0,0505



В этой части расчетно-графической работы были получены планы скоростей и решетки профилей первой ступени дозвукового осевого компрессора высокого давления в трех сечениях (втулочном, среднем и периферийном) при расчете на инженерном калькуляторе и в пяти сечениях при расчете на ЭВМ.

В качестве исходного аэродинамического профиля использовали симметричный профиль А-40. При профилировании использовался закон Н(r).

Рассчитанная и построенная решетка профилей первой ступени осевого компрессора высокого давления удовлетворяет требованиям и сможет обеспечить требуемые параметры. Исходные данные взяты из газодинамического расчета осевого компрессора высокого давления. Построенные по результатам расчета на трёх радиусах треугольники скоростей и решетки профилей осевого компрессора приведены на прилагаемом к записке чертеже.



2. Расчет и построение решеток профилей осевой газовой турбины

2.1 Выбор закона профилирования

Применение закона профилирования и значительно упрощает технологию изготовления лопаток СА позволяет создать хорошую конструктивную базу для их монтажа в статоре.

Данные особенности обусловили широкое применение закона крутки и при проектировании турбин авиационных ГТД.

2.2 Расчет кинематических параметров ступени турбины на ЭВМ

Исходными данными для определения параметров потока по радиусу являются данные расчета ступеней турбины на среднем радиусе, а так же заложенные в техническом задании параметры ГТД:

- средний диаметр проточной части на входе и на выходе из рабочего

колеса и ;

- высота лопатки на входе и на выходе и ;

- коэфициент скорости решетки СА

- коэфициент скорости решетки РК

- приведеная скорость потока перед РК

- термодинамическая степень реактивности

- расходные , и окружные ,

составляющие абсолютной скорости на входе и навыходе из РК;

- угол потока в абсолютном движении на выходе из СА ;

- угол потока в относительном движении на входе и навыходе из РК;

- массовый расход газа на входе и на выходе из РК;

- частота вращения ротора ;

- температура газа за РК по заторможенным параметрам .

Исходные данные газодинамического расчета ступени турбины КВД размещаются в файле исходных данных oct.dat (таблица 2.1). Результаты расчета, получаемые по программе oct.exe, заносятся в файл oct.rez (таблица 2.2).

Приведенная в таблице схема печати дает достаточно полное представление об объеме результатов, получаемых в ходе выполнения поступенчатого газодинамического расчета турбины. Помимо таблицы расчетных данных, программа oct.exe позволяет для большей наглядности представить результаты расчета в графической форме.

Дата 25.10.11 NR= 1 KZ= 1 Кг = 1.324 Rг = 290.0

D1ср= .4580 D2ср= .4680 h1 = .0450 h2 = .0540

C1aср=175.00 C2aср=180.00 C1uср=568.00 C2uср= -62.60

alf1с= 17.10 be1ср= 41.50 be2ср= 22.20

alf0 = 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00

Л1 = .948 Фи = .936 Пси = .955 Rтс = .300

n =15500.0 T2* = 992.0



Таблица 2.2 - Результаты расчета решетки профилей ступени осевой

газовой турбины

Полученные графические зависимости параметров потока от высоты лопатки рабочего колеса данной ступени изображены на рисунках 2.1-2.3

Рисунок 2.1 - Изменение и по радиусу лопатки РК



Рисунок 2.2 - Изменение и по радиусу лопатки РК

Рисунок 2.3 - Изменение и по радиусу лопатки РК

Полученные треугольники скоростей изображены на рисунке 2.4

Рисунок 2.4 - Планы скоростей в сечении 1



Рисунок 2.5 - Планы скоростей в сечении 2

Рисунок 2.6 - Планы скоростей в сечении 3

Рисунок 2.7 - Планы скоростей в сечении 4

Рисунок 2.8 - Планы скоростей в сечении 5



2.3 Профилирование решеток рабочего колеса турбины на ЭВМ

Таблица 2 Профилирование лопатки РК по радиусу

-----------------------------------------------------------

Паpаметp | Сечение по высоте лопатки

| 1(пеp) 2 3(сp) 4 5(вт)

-----------------------------------------------------------

ro 1.000 .9517 .9034 .8551 .8068

b 21.60 21.60 21.60 21.60 21.60

t 18.94 18.03 17.11 16.20 15.28

t/b .8769 .8346 .7922 .7499 .7075

i 1.556 5.150 5.948 5.864 4.744

delt .1946 .2488 .3057 .3612 .4098

Cm .1100 .1300 .1500 .1700 .1900

xcm .2622 .2642 .2648 .2656 .2659

be1l 59.00 54.50 49.00 44.00 39.00

be2l 20.87 21.51 22.06 22.49 22.77

bey 49.47 52.96 57.64 62.37 67.44

r1 .5900 .7000 .8100 .9200 1.030

r2 .2500 .2500 .2500 .2500 .2500

Число pабочих лопаток - 85. шт.

Данные построения содержатся в файле GFRT.dat , построение профилей осуществляется с помощью графической программы GFRT.exe

Полученные профили изображены на рисунках 2.9-2.14

Рисунок 2.9 - Решетка профилей в сечении 1 (периферийное)



Рисунок 2.10 - Решетка профилей в сечении 2

Рисунок 2.11 - Решетка профилей в сечении 3 (среднее)

Рисунок 2.12 - Решетка профилей в сечении 4



Рисунок 2.13 - Решетка профилей в сечении 5 (втулочное)

Рисунок 2.14 - Профили рабочей лопатки турбины

2.4 Расчет геометрических параметров решеток профилей на инженерном калькуляторе

Исходными данными для определения геометрических параметров решеток профилей являются треугольники скоростей на трех радиусах (втулочной, среднем и периферийном) и конструктивные параметры (рекомендуемые величины хорды и шага решетки), полученные в результате газодинамического расчета турбины на среднем радиусе в таблице 2.2.

В целях удобства вычислений и графических построений вычисляем в миллиметрах следующие геометрические параметры решетки:

1) Радиусы расположения сечений:

Учитывая, что находим радиусы среднего, втулочного и периферийного сечений:



2) Шаг решетки:

tCP=0,0171 м;

tвт=tср*=0,0171*=0,0152м

tп=tср*=0,0171*=0,0188 м

3) Хорда профиля лопатки:

Принимаем хорду профиля постоянной по высоте лопатки:

4) Угол установки профиля лопатки в решетке:

увт=85,95-1,277(1вт-2вт)+0.0084(1вт-2вт)2=

=85,95-1,277(34.26-23.18)+0,0084(34.26-23.18)2=69.22 град

уср=85,95-1,277(1ср-2ср)+0,0084(1ср-2ср)2=

=85,95-1,277(45.5-19.9)+0.0084(45.5-19.9)2=64.43 град

уп=85.95-1.277(1п-2п)+0.0084(1п-2п)2=

=85.95-1.277(120.9-19.9)+0.0084(120.9-19.9)2=58.9 град

5) Геометрический угол решетки на входе:

Согласно графику обобщенной зависимости для выбора геометрических углов решетки на входе (рис.2.2, стр.17 [2]) определяем углы:

л1вт=39 град л1ср=49 град л1п=59 град

Рисунок 2.6 ? Зависимости для выбора геометрических углов решетки

6) Геометрический угол решетки на выходе:

Согласно графику обобщенной зависимости для выбора геометрических углов решетки на выходе (рис.2.3, стр.18 [2]) определяем углы:

7) Угол отгиба выходной кромки:



Рисунок 2.7 ? Зависимость угла отставания потока от в2 и л2

8) Относительная толщина профиля лопатки:

=1.06*=0.0159

=2*-=0.0141

9) Абсолютная толщина профиля лопатки:

м

м

м

10) Ширина узкого сечения горла межлопаточного канала:

авт=tвт*sinэф=0.0152*sin22.2 =0.0057 м

аср=tср*sinэф=0.0171*sin 22.2 =0.0064 м

ап=tп*sinэф=0.0188*sin 22.2 =0.0071м

11) Относительное удаление максимальной толщины профиля:



12) Абсолютное удаление максимальной толщины профиля:

м

м

м

13) Радиус скругления входной кромки:

R1вт=0,3*СmaxBT=0.3*0.00034=0.00010 м

R1ср=0,3*СmaxСР=0.3*0.00033= 0.00010 м

R1п=0,3*СmaxП=0.3*0.00031=0.00009 м

14) Радиус скругления выходной кромки:

Принимаем постоянным по высоте лопатки, тогда

R2вт= R2ср= R2п=0,5*аcp*=0,5*0.0064*0,125=0.0004м

так как по расчету выходит меньше, принимаем

R2вт= R2ср= R2п=0,0004

15) Угол заострения входной кромки:



град

град

град

RmaxВТ=0,5*Сmaxвт=0,5*0.00034=0,00017 м

RmaxСР=0,5*Сmaxср=0,5*0,00033=0,000165 м

RmaxП=0,5*Сmaxпр=0,5*0,00031=0,000155 м

где - длина развертки профиля, определяемая по формуле:

16) Угол заострения выходной кромки:

17) Угол, образованный лучом, прохоходящим через центры окружностей и , фронтом решетки:

град

град

град

Таблица 2.5 - Результаты расчетов геометрических параметров решетки профилей в среднем, концевом и втулочном сечении:

№	Параметр	Размерность	Втулочное	Среднее	Периферийное
1	r	м	0,207	0,232	0,256
2	t	м	0,0152	0,0171	0,0188
3	b	м	0,022	0,022	0,022
4		град	69.22	64.43	58.9
5		град	39,0	49,0	59,0
6		град	22.2	22.2	22.2
7	е	град	18	18	18
8		-	0,0159	0,015	0,0141
9		м	0,00034	0,00033	0,00031
10		-	0,226	0,236	0,246
11		м	0,0049	0,0051	0,0054
12		м	0,0001	0,0001	0,00009
13		м	0,0004	0,0004	0,0004
14		град	7,00	7,00	7,00
15		град	2.34	2.16	2.15
16		град	70	65.21	58.91



Выводы

В результате выполнения данной РГР освоена методика расчета параметров потока в ступенях компрессора, турбины. Помимо этого освоена методика построения решеток профилей ступеней лопаточных машин.

Решетки профилей первой ступени компрессора высокого давления профилировалась по закону постоянства по радиусу лопатки при заданном Н(r). Ступени с постоянной степенью реактивности широко применяются в ГТД, в частности, в качестве первых ступеней дозвукового компрессора высокого давления.

Решетки профилей первой ступени газовой турбины высокого давления профилировалась по закону и . Профилирование лопаток по данному закону значительно упрощает технологию изготовления лопаток СА, позволяет создать хорошую конструктивную базу для их монтажа в статоре.На расчетном режиме работы обеспечиваются допустимые углы натекания потока на рабочее колесо.

Таким образом, в результате проведенного газодинамического расчета первой ступени турбины компрессора получены значения параметров потока, построены планы скоростей и решетки профилей для втулочного, среднего и периферийного сечений. Во втулочном сечении соотношение скоростей W2 > W1 выполняется, а б2>55?. Угол поворота потока в решетке во втулочном сечении ?в=122.6?, что больше допускаемого 120?.



Перечень ссылок

1. В.Ю.Незым. Расчет и построение решеток профилей дозвукового осевого компрессора: Учебное пособие - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1988 - 41 с.

2. В.А.Коваль. Профилирование лопаток авиационных турбин: Учебное пособие - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1986 - 48 с.

3. А.Н.Анютин. Расчет и профилирование на ЭВМ лопаток осевой газовой турбины - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1991 - 32 с.

Размещено на Allbest.ru