Проектирование воздухозаборника ГТУ



 

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;

 мм;

Обозначения с индексом z относятся к последней ступени компрессора.

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

 мм;

 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;

 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

 м

длина рабочих лопаток первой ступени турбины

 м

длина сопловых лопаток последней ступени турбины

 м

длина рабочих лопаток последней ступени турбины

 м

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

 м

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:

 

Пример:

Используя программу расчёта колебаний получаем:

Исходные данные:

Полученный график продольных колебаний:


Полученный график изгибных колебаний:

Условие устойчивости.

Эксплуатационные нагрузки не должны превышать q.

- количество полуволн

 - длина агрегата

- средний диаметр турбины

Расчет стыкового соединения.

Крепление производится с помощью соединения группой болтов.

При расчете принимаем следующие допущения:

- поверхности стыка остаются плоскими (не деформируются) при всех фазах нагрузки.

- поверхности стыка имеют минимум две оси симметрии, а болты расположены симметрично относительно этих осей.

- все болты одинаковы и равно затянуты.

Принимаем болты без зазора.

Прочность обуславливается напряжениями среза и смятия.

В стыке на болтовое соединение действуют следующие факторы:

-Вес конструкции.

 - масса всей конструкции

-Вибрационные нагрузки.

 - перемещения

 - частота колебаний

Вибрационные нагрузки учитываются по сумме продольных и поперечных колебаний.

Продольные колебания:

Поперечные колебания:

-Силы давления.

Принимаем количество болтов

Болт М10-6g±60,58(s18); ГОСТ 7805-70

Для расчета прочности найдем нагрузку при срезе на один болт

 

Расчет болта на срез:

Принимаем МПа

— расчетная площадь смятия;

Расчет болта на смятие:

 

Здесь — нагрузка на одну соединительную деталь;

— допускаемое напряжение на смятие.

В машиностроении для болтовых, штифтовых и шпоночных соединений принимают: для деталей из среднеуглеродистой стали


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 280;