Газотурбинный двигатель

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ЗАДАНИЕ

1. ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1.1 Выбор и обоснование параметров

1.2 Термогазодинамический расчет на ЭВМ

1.3 Выводы

2. СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ

2.1 Исходные данные

2.2 Результаты расчета

2.3 Выводы

Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

Для современной авиации применение различных типов газотурбинных двигателей (ГТД) объясняется разнообразием типов самих летательных аппаратов и специфическими требованиями, предъявляемыми каждым типом ЛА к его силовой установке.

В сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания газотурбинные двигатели имеют меньшую массу и габариты, но характеризуются большим удельным расходом топлива. Целесообразность применения ГТД обуславливается легкостью, удобством обслуживания, относительной дешевизной, меньшими затратами на эксплуатацию.

Турбовинтовые двигатели (ТВД) применяются на транспортных и бомбардировочных самолетах. При дозвуковых скоростях полета вследствие применения воздушного винта в качестве движителя имеют более высокий тяговый КПД, чем ТРД, что приводит к снижению расхода топлива, а следовательно, и к увеличению дальности полета самолета .

С развитием самолетов и авиационных двигателей одновальные ТВД отошли на второй план, уступая двухконтурным ТРД (ТРДД) и турбовинтовентиляторным двигателям (ТВВД).

ТВД, типа АИ-20, находятся в эксплуатации до настоящего времени, благодаря простоте конструкции и легкости в эксплуатации. Эти двигатели, отработав свой летный ресурс, используются в наземных установках

В данном проекте необходимо рассчитать газотурбинный двигатель, который максимально бы отвечал современным требованиям и был конкурентоспособен на рынке газотурбинной техники. При этом обеспечить высокий уровень КПД установки, и достаточно длительный ресурс работы установки.

Для достижения этой цели необходимо провести:

- выбор и обоснование основных параметров;

- термогазодинамический расчёт двигателя;

- согласование параметров компрессора и турбин.

Данный этап позволяет обеспечить оптимальные (рекомендуемые) геометрические и газодинамические соотношения в определяющих облик двигателя расчётных сечениях, обеспечить нормальную загрузку ступеней турбины, компрессора и допустимые напряжения в лопатках турбины.

Отличительными чертами двигателя, послужившего прототипом для данного курсового проекта, являются проверенные десятилетиями эксплуатации показатели надежности, экономичности и большой ресурс. Немаловажным показателем является в совершенстве освоенная технология производства данного ГТД.

Целью данного курсового проекта является разработка турбовинтового газотурбинного двигателя на базе существующего прототипа АИ-20. Также необходимо ознакомится с влиянием различных параметров на рабочий процесс в отдельных узлах двигателя, а также двигателя в целом.

ЗАДАНИЕ

Турбовинтовой газотурбинный двигатель N_э= 4100 кВт, при М=0, Н=0

Рекомендуемые параметры для разрабатываемого двигателя:

1) температура газа перед турбиной T_г^*=1080 К.

2) степень повышения давления в компрессоре ?_к^*=7,7

3) расход воздуха G_в=20,4 кг/с;

4) частота вращения ротора - n_вд=12300 об/мин;

Двигатель - прототип - АИ - 20

Данные прототипа:

эквивалентная мощность N_э=2,2 МВт;

степень повышения давления в компрессоре ?_к^*=7,4;

температура газа перед турбиной T_г^*=1063 К;

расход воздуха G_в=20,4 кг/с;

частота вращения ротора - n_вд=12300 об/мин;

1. ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Целью термогазодинамического расчета является:

· определение параметров потока воздуха (газа) (полного давления и полной температуры) в характерных сечениях по тракту двигателя;

· определение основных удельных параметров двигателя (удельной мощности, удельного расхода топлива), а также необходимого суммарного расхода воздуха для обеспечения заданной тяги и часового расхода топлива.

На рисунке.1.1 показана схема турбовинтового двигателя с маркировкой характерных сечений.

Рисунок.1.1 Конструктивная схема двигателя

Н - Н - невозмущенный поток, окружающая среда.

Вх - Вх - сечение на входе в двигатель.

В - В - сечение на входе в компрессор.

К - К - сечение за компрессором.

Г - Г - сечение за камерой сгорания, перед турбиной.

Т - Т - сечение на выходе из турбины.

С - C - выходное сечение реактивного насадка.

1.1 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ

КПД компрессора и турбины

КПД компрессора - это отношение изоэнтропической работы по параметрам заторможенного потока к работе компрессора.

Величина изоэнтропического КПД многоступенчатого компрессора по параметрам заторможенного потока зависит от степени повышения давления в компрессоре и КПД его ступеней ,

где - среднее значение КПД ступеней компрессора.

?_к = * ?'м=0,868*0,99=0,859, где ?'м=0,99 механический КПД компрессора, учитывающий потери в его опорах, обычно составляющий ?'м = 0,985…0,995 ; - КПД компрессора по параметрам заторможенного потока.

На расчетном режиме среднее значение КПД ступеней в многоступенчатых осевых компрессорах современных газотурбинных двигателей лежит в пределах =0.88..0.9. Принимаем =0.9.

Рисунок.1.2 Зависимость КПД многоступенчатого компрессора от к* и КПД отдельных его ступеней

Значения КПД неохлаждаемых турбин по параметрам заторможенного потока обычно лежат в пределах . Охлаждение турбин приводит к снижению КПД.

КПД неохлаждаемой турбины лежит в пределах 0,9...0,92 . Принимаем = 0.91

Потери в элементах проточной части

Входное устройство рассматриваемого двигателя является дозвуковым прямолинейным каналом. Коэффициент восстановления полного давления для такого устройства составляет . Принимаем .

Тепловое сопротивление возникает вследствие подвода тепла к движущемуся газу. На рис.1.3 показана зависимость коэффициента теплового сопротивления от степени подогрева газа и приведенной скорости на входе в камеру сгорания. авиационный компрессор турбина двигатель

Выбираем приведенную скорость ?_вх=0,15, по графику 1.3 выбираем ?_тепл=0,985.

Рисунок.1.3 Зависимость теплового сопротивления камеры сгорания от степени подогрева и приведенной скорости потока

Потери полного давления в камере сгорания вызываются гидравлическим и тепловым сопротивлением. Гидравлическое сопротивление определяется в основном потерями в диффузоре, фронтовом устройстве, при смещении струй, при повороте потока (). Принимаем .

Суммарные потери полного давления в камере сгорания подсчитываются по формуле:

=0,95*0,985=0,946.

Потери тепла в камере сгорания главным образом связаны с неполным сгоранием топлива и оценивается коэффициентом полноты сгорания . Этот коэффициент на расчетном режиме достигает значений =0.97..0.99. Принимаем =0.99.

Выходное устройство турбовинтового двигателя, как правило, выполняется диффузорным. Коэффициент восстановления полного давления:

Скорость истечения газа из выходного устройства

Выбор боле высоких значений Сс позволяет уменьшить массу и габаритные размеры таких узлов ТВД, как воздушный винт, редуктор, турбина винта, реактивный насадок.

Скорость истечения газа из выходного устройства, исходя из соображений оптимизации работы двигателя принимаем Сс=200 м/с.

1.2 ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Результаты расчета Таблица 1.

1.3 ВЫВОДЫ

В результате термогазодинамического расчета двигателя получили следующие параметры: удельная мощность Nэ=142 кВт*с/кг, Сэ=0,331 кг/ч*кВт. Определили давление и температуру заторможенного потока в характерных сечениях. Полученные значения основных удельных параметров проектируемого двигателя на ЭВМ соответствуют уровню значений параметров современных двигателей. Для обеспечения расчетной мощности N_ерас=4100 кВт требуется расход воздуха

G_B=N_eрас/N_eуд=4100/142=29,9 кг/с.

2. СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРОВ И

ТУРБИН

Формирование облика ( проточной части ) ГТД является одним из наиболее важных начальных этапов проектирования ГТД непосредственно следующим за выполнением теплового расчета и предшествующим газодинамическим расчетам элементов проточной части. При выполнении расчетов по формированию облика ГТД определяются: форма проточной части, частоты вращения роторов и число ступеней каскадов лопаточных машин.

2.1 Исходными данными для этих расчетов являются значения заторможенных параметров рабочего тела (воздуха и продуктов сгорания) в характерных сечениях проточной части, основные геометрические ( диаметральные ) соотношения каскадов лопаточных машин и принимаемые значения коэффициентов аэродинамической загрузки компрессорных и турбинных ступеней.

2.2 Расчет производится с помощью программы Slgt2.exe. Ввод данных производится в диалоговом режиме. Результат представлен в виде распечатки. Облик турбокомпрессора проектируемого ТВД представлена на рисунке.2.1

Формирование облика ГГ ГТД-1 ( К - ОК или ОЦК ) Таблица 2.

Исходные данные:

Neуд= 142.0 Сe = .3307 КПДк= .8670 КПДтк= .9100

Lк = 290040. Lтк*= 502460. Lтс*= 197850. КПДтс= .9150

Cpг =1171.4 Kг =1.3251 Cpв =1020.5 Kв =1.3913

Ne = 142. Gв = 1

doв = .410 Dсрт/Dко =1.020 D1цc/Dкко=1.000

D2цс/Dко =1.000 D4цc/D2цс=1.000

Lок/Lк =1.000 КПДок* = .867 Sркоц =1.000

Результаты pасчета:

* ОК * Кф = 1 Zк =10.

Lк*= 290040. Пiк*= 7.700 КПД*= .8670 Uк = 310.0

Dк = .4076 dob = .4100 dok = .9079 Hzc= .3018

nвд =14526.

* Т * Кф = 2 Zт = 3.

Lт*= 502460. Пiт*= 7.387 КПД*= .9100 (h/D)г= .1263

Uср= 316.2 Mz = 1.025 Dcр = .4157 (h/D)т= .2104

Sр = 290.4 Tw* = 813.7

Сечение\Паpаметp: T* : P* : C : C/акp : F

: K : Па : м/с : --- : кв.м

в - в 288. 98285. 175.0 .5641 .1085

к - к 570. 884570. 130.0 .2981 .0291

г - г 1200. 836800. 120.2 .1918 .0686

т - т 771. 113270. 280.0 .5571 .1577

Dн1 Dcp1 Dвт1 Dн2 Dcp2 Dвт2 Zст

ОK .

Рис.2.1 Схема проточной части двигателя

2.3 Выводы по разделу 2:

Сформирован облик двигателя. Определены значения: Т, Р,с в основных сечениях двигателя. Данные, полученные при согласовании, станут основой для проектирования основных узлов двигателя. Результаты согласования не являются окончательными, а будут изменяться на дальнейших этапах расчёта при проектировании и доводке компрессора, турбины. В результате согласования получены: высокозагруженный 10-ти ступенчатый компрессор и сильнонагруженная 3-х ступенчатая турбина.

Выводы

В данном домашнем задании получены удельные параметры ГТД: Neуд= 142.0 кВт*с/кг, Сe = 0.3307 кг/кВт*ч, близкие к современному уровню значений.

В результате согласования параметров компрессоров и турбин был получен облик проектируемого двигателя - ГТД с одновальным газогенератором.

- (высоконагруженный компрессор);

- (сильнонагруженная турбина).

Была проведена оценка напряжения в корневых сечениях. Уровень приемлемый.

В целом параметры двигателя соответствуют параметрам современных двигателей.

Перечень ссылок:

1. Герасименко В.П., Павленко Г.В. Выбор параметров и термогазодинамический расчет ТВД, ТВВД и ТВаД: Учебное пособие. Харьков: ХАИ, 1984.

2. Анютин А.Н. Согласование компрессоров и турбины авиационного газотурбинного двигателя: Учебное пособие. Харьков: ХАИ, 1985.

3. Буслик Л.Н., Ковалев В.И. Согласование параметров и определение основных размеров турбин и компрессоров ГТД: Учебное пособие. Харьков: ХАИ, 1996.

Размещено на Allbest.ru