Проектирование воздухозаборника ГТУ

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 7Следующая ⇒

1)Площадь сечения воздухозаборника на входе

м²,

где - диаметр миделя (по заданию)

2)Удельный расход на входе

;

3)По таблицам газодинамических функций находим приведённую скорость

Для приведённая скорость потока равна .

4)Скорость потока на входе

м/с;

5) Угол конусности выбирается из интервала

6)Длина воздухозаборника

м,

где - диаметр вершин лопаток первой ступени компрессора

2. Расчёт геометрических параметров осевого компрессора [2].

Эта методика основывается на статистических данных по различным осевым компрессорам ГТД. Для определения длины компрессора необходимы параметры первой и последней ступени. Ниже приводится пример расчёта, который выполнен на основе данных, отличных от полученных в предыдущем разделе (высоты лопаток), но при выполнении курсовой работы они должны быть согласованы.

Принимаем высоту лопаток первой ступени компрессора из диапазона 150-300 мм, последней ступени не менее 20 мм (принимаем 60 мм). Исходя из опыта проектирования газотурбинных установок и двигателей, удлинение лопаток на первой ступени осевого компрессора доходит до 3.5...4.5. На последних ступенях принимаются меньшие значения удлинения . По определению

где - высота лопатки, - длина хорды профиля лопатки. От сюда можно определить длину хорды

мм;

Обозначения с индексом z относятся к последней ступени компрессора.

Осевые зазоры между направляющими и рабочими лопатками принимаем 20% от длины хорды :

мм;

Степень повышения давления в компрессоре:

;

Степень повышения давления в одной ступени компрессора принимаем .

Тогда количество ступеней можно определить по формуле:

Округляем до целого в большую сторону , так как в процессе движения воздуха в проточной части существуют гидравлические потери.

Длина компрессора:

мм

2.1 Расчет массы компрессора.

Расчёт массы компрессора основывается на тех же принципах, что и расчёт длины компрессора (по массе первой и последней ступени):

где значение коэффициента , получено на основе статистического анализа масс 36 компрессоров с различной формой проточной части.

Масса ступени определяется как сумма составляющих масс корпуса, лопаток и дисков:

;

Масса корпуса

где - диаметр корпуса, - плотность материала корпуса, - длина ступени, - толщина стенки корпуса.

Входящая в формулу толщина стенки корпуса рассчитывается из условия обеспечения требуемой прочности от напряжений растяжения в предположении, что разрыв оболочки может произойти по образующей. При этом допустимое напряжение растяжения МПа. С учётом этого величину можно определить как

;

Диаметр корпуса (диаметр верхней кромки лопаток) принимаем

м;

Диаметр втулки (диаметр корневого сечения лопаток)

м;

Средний диаметр ступени

м;

Длина ступени

м;

Масса корпуса ступени компрессора

кг;

Массы лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата ступени осевого компрессора можно найти с помощью приближённой формулы:

где - среднегеометрический диаметр ступени; - статистический коэффициент, принимаемый равным 0.12 для лопаток осевого компрессора. Материал для лопаток компрессора назначаем титановый сплав ВТ3-1 с плотностью кг/м³.

Для первой ступени компрессора масса лопаток РК и НА

кг;

Масса диска осевого компрессора также определяется на основании статистической обработки многочисленных конструкций с учётом внешней контурной нагрузки в виде напряжения растяжения в корневых сечениях лопаток по соотношению

В лопатках осевых компрессоров напряжения растяжения от центробежных сил достигают 150-200 МПа (титановые сплавы), 250-350 МПа (стальные), 100-150 МПа (алюминиевые сплавы). Принимаем материал диска компрессора - титановый сплав ВТ-9.

С учётом выше сказанного, масса диска компрессора

кг;

Тогда масса первой ступени компрессора будет

кг.

Аналогичным образом определяются массы корпуса ( кг), лопаток ( кг) и диска ( кг) последней ступени и определяется масса всей последней ступени компрессора

кг.

Масса всего компрессора

кг.

3. Расчет геометрических параметров турбины [2].

При определении осевой протяжённости турбины можно воспользоваться формулой

где ; - число ступеней турбины (2...4); - величина осевого зазора; индекс z относится к параметрам последней ступени.

Удлинение сопловых и рабочих лопаток можно определить с помощью графиков в зависимости от отношения .

Одним из важнейших конструктивных параметров является втулочное отношение . Для первых ступеней турбины характерны значения ; для последних ступеней .

Число ступеней принимаем . Принимаем для первой ступени , для последней ступени . Тогда отношение определится по формуле

По графику принимаем для первой ступени турбины

- удлинение сопловых лопаток

- удлинение рабочих лопаток

По графику принимаем для последней ступени

- удлинение сопловых лопаток

- удлинение рабочих лопаток

Принимаем длину хорды профиля лопаток м. Тогда длина сопловых лопаток первой ступени турбины будет

длина рабочих лопаток первой ступени турбины

длина сопловых лопаток последней ступени турбины

длина рабочих лопаток последней ступени турбины

Величину осевого зазора принимают как 20...30% от длины хорды профиля лопатки

Длина турбины

Расчет массы турбины

Принимаем материал диска - сплав ЭИ437Б с плотностью кг/м³;

материал лопаток - сплав ЖС6-К с плотностью кг/м³.

Масса турбины оценивается приближённо по формуле

где в качестве массы "средней" ступени можно принять массу первой ступени.

Зная отношение среднего диаметра к высоте лопатки и саму высоту лопатки, можно найти средний диаметр

м;

Тогда диаметр вершин лопаток

м;

Диаметр корневого сечения (диаметр диска)

м;

Масса лопаток ступени турбины (сопловой аппарат + рабочее колесо) определяется аналогично массе лопаток компрессора

где для лопаток турбин.

кг;

Масса диска турбины определяется по формуле

где - плотность материала диска;

- радиус, соответствующий максимальному напряжению в диске;

- напряжение растяжения в корневых сечениях лопаток;

- площадь корневого сечения лопатки;

- допускаемое напряжение для материалов дисков турбин;

- частота вращения вала;

Величину можно определить по формуле

м;

Коэффициент определяется по формуле

;

Площадь корневого сечения лопатки

м;

Где - максимальная толщина профиля рабочей лопатки в корневом сечении (принята равной 0.01 м).

Окружная скорость на среднем диаметре

м/с;

Напряжение растяжения в корневых сечениях лопаток

Па;

Принимаем относительный шаг , так как это значение использовалось при получении статистических коэффициентов. Тогда количество лопаток рабочего колеса

;

Принимаем допускаемые напряжения для материала диска Па.

Масса диска будет

кг

Масса турбины

кг

4. Расчет геометрических параметров и массы камеры сгорания газотурбинного двигателя [3].

1. Расчет потребного объема жаровой трубы (суммарный объем жаровых труб)

= ,

где –часовой расход топлива, (кг/ч);

- удельная теплота сгорания, (кДж/кг);

- коэффициент выделения тепла, (0,98…0,99),( Принимаем ) ;

-давление на выходе из компрессора, (Па);

- теплонапряжённость камеры, определяется уровнем температуры газа перед турбиной и типом конструктивной схемы камеры, выбирают в пределах кДж/ *ч*Па. (Принимаем кДж/ *ч*Па)

2. Расчет максимальной площади поперечного сечения камеры сгорания.

где –расход газа, (кг/с);

- массовая плотность воздуха на выходе из компрессора;

- средняя условная скорость газа в максимальном сечении камеры. По статистике =30…45 /с. (Принимаем ).

3. Расчет наружного диаметра камеры сгорания.

где – наружный диаметр на выходе из компрессора ( ).

4. Расчет внутреннего диаметра камеры.

где - максимальная площадь поперечного сечения камеры сгорания ( ;

- наружный диаметр камеры сгорания.

5. Расчет диаметра делительной окружности.

Делительная окружность делит поперечное сечение камеры на две равновеликие по площади части.

где - наружный диаметр камеры сгорания, ( );

- внутренний диаметр камеры сгорания, ( ).

6. Расчет площади поперечного сечения жаровой трубы (исходя из статистических данных).

где - максимальная площадь поперечного сечения камеры сгорания, ( ).

7. Расчет длины жаровой трубы.

где - потребный объем жаровой трубы, ( );

– площадь поперечного сечения жаровой трубы, ( ).

8. Расчет диаметра жаровых труб.

где – площадь поперечного сечения жаровой трубы, ( );

– коэффициент, учитывающий необходимость промежутка между жаровыми трубами (1,1 … 1,5)( Принимаем );

– делительный диаметр, ( ).

9. Расчет высоты кольца (для кольцевой камеры).

где – площадь поперечного сечения жаровой трубы, ( );

– делительный диаметр, ( ).

10. Расчет длины диффузора на входе в камеру сгорания.

где – длина жаровых труб, ( ).

11. Полная длина камеры сгорания.

где – длина жаровых труб, ( );

– длина диффузора ( ).

12. Расчет массы жаровой трубы.

где – делительный диаметр, ( );

– высота кольца, ( );

– длина жаровых труб, ( );

– толщина стенки жаровых труб, ( );

– плотность материала жаровых труб .

13. Расчет массы диффузора.

где – наружный диаметр на выходе из компрессора ( );

– толщина стенки диффузора, ( );

– длина диффузора, ( );

– плотность материала диффузора ;

– высота лопатки компрессора последней ступени, ( );

- внутренний диаметр камеры сгорания, ( ).

14. Масса всей камеры сгорания.

где – масса жаровых труб, ;

– масса диффузора,

Сводная таблица массовых и габаритных характеристик

Конструктивный элемент ГТУ	Масса, кг	Длина, м
Компрессор (ротор+статор)	1819	1.022
Компрессор (ротор)	785	1.022
Турбина (ротор+статор)	948	0.423
Турбина (ротор)	478	0.423
Камера сгорания	125	0.405
Диффузор камеры сгорания	42	0.135

Рис.4 Схема ГТУ

5. Расчёт колебаний.

Расчета проводится с помощью специального расчетного приложения, которое позволяет оценить динамическое поведения ГТД при колебательных режимах его работы, оценить динамические нагрузки, действующие на конструктивные элементы и узлы (приложение 3).

Используя программу расчёта колебаний получаем:

1) Вводим соответственно расчетные значения масс ступеней (пункт 10):

2)Указываем принятые значения длин блоков:

3)Указываем количество ступеней компрессора (пункт 4):

4) Указываем принимаемый диаметр (пункт 7):

5) Выбираем для расчета «Продольные колебания»:

Прочие параметры принимаем заданных программой значений.

6) Запускаем программу расчета:

7) Оцениваем полученный график продольных колебаний. Необходимо указать значение Моды = 3:

8) Для проведения подобного исследования изгибных колебаний, выбираем вместо «Продольные колебания» - «Изгибные колебания» и так же указываем Мода = 3: