2. Разработка вентилятора двигателя

2.1 Требуемые параметры

В этом разделе дипломной работы разработан широкохордный одноступенчатый вентилятор, предназначенный для модернизации двухконтурного ТРД.

В качестве расчетного выбран максимально продолжительный режим. Проектируемый вентилятор должен на расчетном режиме (относительная приведенная частота вращения , приведенная частота вращения n_пр=5929 об/мин, приведенная окружная скорость на периферии рабочего колеса вентилятора на входе u_к.пр.=431 м/с) обеспечивать: суммарный расход воздуха G_{В? пр}=303,16 кг/с, степень двухконтурности m=4,939 , степень повышения полного давления =1,726 (наружный контур) и =1,561 (внутренний контур), адиабатические КПД ?0,909 и ?0,89.

2.2 Двухмерный газодинамический расчет вентилятора

Для газодинамического расчета проектируемого одноступенчатого вентилятора в качестве расчетного принят, как указывалось, максимальный продолжительный режим (Н_п=11000 м, М_п=0,75, n_физ=5424 об/мин, n_пр=5929 об/мин ()) со следующими параметрами:

- суммарный приведенный расход воздуха G_{В? пр}=303,16 кг/с;

- степень двухконтурности m=4,939;

- степень повышения полного давления в наружном контуре =1,817;

- степень повышения полного давления во внутреннем контуре =1,611;

- адиабатический КПД ступени в наружном контуре =0,920;

- адиабатический КПД ступени во внутреннем контуре =0,914;

- приведенная окружная скорость на периферии рабочего колеса;

- диаметр на входе в рабочее колесо;

- относительный диаметр втулки на входе в рабочее колесо.

Расчетные значения и увеличены по сравнению с требуемыми соответственно на 5,3% и 3,2%, что необходимо для обеспечения запасов газодинамической устойчивости. Для величин и также заложены значения, несколько превышающие требуемые.

Газодинамический расчет параметров осесимметричного течения газа в элементах вентилятора выполняется по программе «Расчет течения газа в компрессоре методом прямых». Учет влияния вязкости осуществляется путем задания адиабатического КПД для рабочих колес и коэффициента восстановления полного давления для направляющих аппаратов.

Для принятого расчетного режима вентилятора были проведены несколько газодинамических расчетов, в результате которых была найдена и принята для дальнейшего использования конфигурация проточной части вентилятора и выбран вариант двухмерного газодинамического расчета, обеспечивающая удовлетворительные параметры осесимметричного течения в межлопаточных каналах и осевых зазорах вентилятора при приемлемых распределениях по радиусу необходимых параметров лопаточных венцов. Результаты этого газодинамического расчета приведены ниже. Необходимо подчеркнуть, что эти результаты являлись предварительными и послужили начальным приближением для последующих трехмерных аэродинамических расчетов и расчетов на прочность.

Принятая схема проточной части вентилятора, для которой получены ниже приведенные результаты выбранного двухмерного расчета, показана на рисунке 2.1. Вентилятор включает в себя рабочее колесо с широко хордными бесполочными лопатками и направляющие аппараты внутреннего и наружного контуров, разделенные перегородкой.

Рис. 2.1 - Схема проточной части вентилятора:

Координаты втулочного и периферийного обводов внутреннего и наружного контуров вентилятора приведены в таблице 2.1. Координаты периферийного обвода наружного контура проектируемого вентилятора принятые такими же, как и аналогичные координаты существующего вентилятора.

Суммарные расчетные параметры по наружному и внутреннему контурам вентилятора и его рабочего колеса представлены в таблице 2.2

Таблица 2.2 - Расчетные параметры:

Результаты расчета параметров потока на различных линиях тока в проточной части вентилятора даны в таблице 2.3. Из таблицы 2.3 и рисунков 2.2, 2.3 и 2.4 видно, что на входе в рабочее колесо относительный поток остается дозвуковым от втулки до значения , а выше этого значения становится сверхзвуковым (приведенная скорость возрастает от значения на втулке до значения на периферии). Угол входа потока изменяется от на втулке до на периферии (углы отсчитываются от фронта решетки). На выходе относительный поток остается дозвуковым на всей высоте лопатки (уменьшается от 0,626 на втулке до 0,517 на границе контуров, а затем в наружном контуре увеличивается до 0,926 на периферии). Остается дозвуковой и скорость потока в абсолютном движении на выходе из рабочего колеса, в том числе и на втулке (). Поворот потока в относительном движении уменьшается от на втулке до на периферии. Кривые изменения статического давления p/p*_н, приведенной скорости и угла потока вдоль линий тока в проточной части рабочего колеса показаны на рисунках 2.5 - 2.7.

Рис.2.2 - Параметры на входе в рабочее колесо:

Рис. 2.3 - Параметры на выходе из рабочего колеса:

Рис. 2.4 - Параметры на выходе из рабочего колеса:

Рис. 2.5 - Изменение скорости тока в проточной части рабочего колеса:

Рис. 2.6 - Распределение углов относительного потока вдоль линий тока в проточной части рабочего колеса:

Рис. 2.7 - Изменение статического давления вдоль линий тока в проточной части рабочего колеса:

Распределения вдоль относительной высоты лопатки основных параметров потока на входе и выходе направляющего аппарата внутреннего контура представлены на рисунках 2.8 - 2.9.

Как следует из таблицы 2.3 и этого рисунка, приведенная скорость на входе и угол поворота потока изменяются соответственно в диапазонах 0,835 - 0,845 и 36,5 - 39,0^о. Распределения вдоль относительной высоты лопатки основных параметров потока на входе и выходе направляющего аппарата наружного контура представлены на рисунках 2.13 - 2.14. Как следует из таблицы 2.3 и этого рисунка, приведенная скорость на входе и угол поворота потока в этом направляющем аппарате изменяются соответственно в пределах 0,671 - 0,864 и 48,1 - 53,5^о. Приведенная скорость на выходе из аппарата увеличивается от значения 0,536 на втулке до максимального значения 0, 642 при и за тем снижается до значения 0,453 на периферии. Изменение статического давления р/р*_н, приведенной скорости и угла потока вдоль линий тока в направляющем аппарате наружного контура показаны на рисунках 2.15 - 2.17.

Рис. 2.8 - Параметры потока на входе в направляющий аппарат внутреннего контура:

Рис. 2.9 - Параметры потока на выходе из направляющего аппарата внутреннего контура:

Рис. 2.10 - Распределение приведенной скорости вдоль линий тока в проточной части НА внутреннего контура:

Рис. 2.11 - Расперделение угла потока вдоль линий тока в проточной части НА внутреннего контура:

Рис. 2.12 - Распределение относительного статического давления вдоль линий тока в проточной части НА внутреннего контура:

Рис. 2.13 - Параметры потока на входе в направляющий аппарат наружного контура:

При необходимости распределение линии вдоль относительной высоты данной лопатки основных параметров потока на выходе из направляющего аппарата наружного контура, следует руководствоваться таким следующим, приведенным ниже графиком построения (смотреть приведенный ниже рисунок. 2.14).

Рис. 2.14:

Рис. 2.15 - Распределение приведенной скорости вдоль линий тока в проточной части НА наружного контура:

Рис. 2.16 - Распределение угла потока вдоль линий тока в проточной части НА наружного контура:

Рис. 2.17 - Распределение относительного статического давления вдоль линий тока в проточной части НА наружного контура:

2.3 Расчет параметров трехмерного невязкого течения в вентиляторе

Для определения характеристики вентилятора использовался комплекс программ FlowER для расчета невязких трехмерных течений в многоступенчатых турбомашинах. Расчет проводился для рабочего колеса.

Трехмерная расчетная модель рабочего колеса вентилятора была построена на основании двухмерного расчета (задание координат точек обводов) и предварительных расчетов (задание координат плоских сечений профиля лопатки). Расчет производился на простых параллельных фронту расчетных сетка.

Рис. 2.18 - Расчетная модель РК вентилятора с сеткой:

В качестве граничных условий на входе задаются распределения полного давления, полной температуры и угла между вектором скорости и меридиональной плоскостью. Для задания граничных условий на выходе в расчетах вентилятора необходимы две величины - статическое давление у втулки внутреннего контура и статическое давление около периферии наружного контура.

Все необходимые для расчета граничные условия были взяты из двухмерного расчета.

В соответствии с поставленным заданием был выполнен расчет невязкого трехмерного течения для одной частоты вращения n_пр = 5929 об/мин. В результате оптимизационных аэродинамических и прочностных расчетов была найдена конфигурация лопатки рабочего колеса и построена характеристика в пиде зависимостей и .

Результаты расчета невязких трехмерных течений в рабочем колесе вентилятора представлены на рисунках.

Показаны распределения чисел М относительно потока, а также распределения статического давления для режимов минимального по значению G_в.пр- в близи потери устойчивости, в точке максимума КПД и для режима запирания.

Рисунки показывают, что на режимах максимума КПД скорость относительного потока на стороне разрежения лопатки, в периферийной области оставаясь на уровне М = 1,4, практически не меняется от передней кромки вплоть до скачка уплотнения.

В срединной области лопатки после разгона вдоль спинки на начальном участке, к выходу поток плавно тормозится. В близи выходной кромки не наблюдалось значительных отрывов потока. Течение в межлопаточном канале рабочего колеса можно считать удовлетворительным - умеренные значения чисел М перед скачками уплотнения в периферийной области.

Рис. 2.19 - Распределение числа Маха: