Приближенный аналитический метод получения ДХ ГТД

ИССЛЕДОВАНИЕ ДРОССЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГТД,

ПОЛУЧЕННЫХ РАСЧЕТНЫМ МЕТОДОМ

Цели работы:

1. Познакомиться с математической моделью, позволяющей реализовать приближенный аналитический метод получения дроссельных характеристик газотурбинного двигателя (ГТД).

2. Построить классические и интегральные дроссельные характеристики ГТД с заданными исходными данными.

3. Сравнить интегральные дроссельные характеристики c_R (N_e) ГТД с различными параметрами рабочего процесса.

Общие положения

В процессе эксплуатации авиадвигателей возникает необходимость изменения режима их работы (снижения мощности) в диапазоне устойчивой работы от максимального режима до режима малого газа (МГ). Снижение мощности, называемое дросселированием, обычно достигается уменьшением расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания (КС). При этом за счет увеличения коэффициента избытка воздуха а снижается температура газа на выходе из КС. Это приводит, с одной стороны, к снижению работы расширения газа в газовой турбине (ГТ) и нарушению баланса мощностей между турбиной и компрессором ( ), уменьшению частоты вращения ротора турбокомпрессора п,снижению степени повышения давления в компрессоре , уменьшению эффективной работы цикла L_e и расхода воздуха М_в,следовательно, к снижению мощности на валу свободной турбины (СТ) ,так как: , где: N_e – эффективная мощность ГТД; – КПД, учитывающий механические потери.

С другой стороны – уменьшение и ведет к снижению эффективного КПД вследствие уменьшения L_e и ухудшения теплоиспользования (увеличение потерь теплоты с выходящими газами из-за уменьшения , следовательно, увеличения температуры истекающих газов ). В результате снижается экономичность двигателя, то есть увеличивается удельный расход топлива с_е. На ухудшение экономичности ГТД также влияет уменьшение КПД компрессора исвободной турбины следовательно, уменьшение степени расширения газа в СТ при удалении от расчетного режима работы двигателя. Обычно дроссельные характеристики (ДХ) представляют в виде зависимостей N_e(n); c_e(n)(рис. 1).

Для сравнения ГТД по экономичности на дроссельных режимах, удобно представить ДХ в виде зависимости (рис. 2), где и – отношение удельного расхода топлива и эффективной мощности на дроссельных режимах к их значениям на расчетном (максимальном) режиме соответственно.

Рис. 1. Дроссельные характеристики ГТД

Рис. 2. Дроссельные характеристики ГТД

Нижняя граница относится к двигателям с большими значениями и на расчетном (максимальном) режиме работы двигателя. Такие двигатели экономичнее, так как увеличение и ведет к увеличению эффективного КПД как на расчетном, так и на дроссельных режимах. Кроме того, «горячие» двигатели (с большими значениями ) менее чувствительны к снижению и при дросселировании.

Немного повысить экономичность ГТД можно увеличением нагрузки на валу СТ во время дросселирования. При этом уменьшается частота вращения ротора СТ и рабочая точка на характеристике СТ перемещается в зону больших значений КПД СТ .

Дроссельные характеристики ГТД могут быть получены экспериментальным путем, в процессе специальных испытаний, или расчетным способом, с использованием характеристик отдельных узлов двигателя. ДХ, полученные расчетным способом, уступают по точности ДХ, полученным экспериментально, но их получение требует меньших затрат времени и средств. Расчетным способом также можно получить ДХ вновь проектируемых двигателей.

Основная сложность при расчете ДХ заключается в том, что необходимо иметь характеристики отдельных узлов двигателя с нанесенными на них линиями рабочих режимов (ЛРР) в соответствии с заданной программой регулирования. Получение таких характеристик, в свою очередь, – процесс трудоемкий и дорогостоящий.

Для приближенной оценки экономичности двигателя при дросселировании при минимуме информации о двигателе с достаточной точностью можно применить предлагаемый ниже приближенный аналитический метод расчета ДХ.

Приближенный аналитический метод получения ДХ ГТД

Сущность этого метода заключается в том, что характеристики всех узлов двигателя задаются приближенно, аналитическими зависимостями, либо принимаются постоянными, что и определяет погрешность метода. Недостающие численные значения коэффициентов потерь энергии в узлах двигателя и КПД узлов задаются исходя из статистических данных для соответствующего класса ГТД.

Учитывая то, что современные ГТД имеют осевые компрессоры с высокой степенью регулирования, допущение о том, что при дросселировании от максимального режима до МГ КПД компрессора остается примерно постоянным , является достаточно корректным.

В расчетах необходимо учитывать, что при изменении температуры и химического состава газа изменяются его физические свойства и, соответственно, значения показателя адиабаты к_Г и удельной теплоемкости .

У современных ГТД обычно принимается закон изменения температуры газа за камерой сгорания при дросселировании:

, (1)

где и –значения температуры газа и частоты вращения ротора на расчетном режиме работы двигателя.

Несмотря на то, что ГТД, применяемый в качестве привода, работает в стендовых условиях (М = 0; Н = 0 ), температура и давление воздуха на входе в ОК изменяются в широком диапазоне климатических и географических условий. Метод позволяет получить семейство ДХ, соответствующих различным значениям температуры и давления атмосферного воздуха, или оперативно строить ДХ при их изменении.

Расчет начинается с разбиения диапазона частот вращения ротора турбо-компрессора от п_maxдо п_МГ. на ряд промежуточных значений n_i, для которых определяются и . Затем, используя прилагаемые графики зависимостей , и таблицы значений и , выбираются и для соответствующих п_i.

На следующем этапе определяются расходы воздуха и величина свободной энергии . Зная значения , можно рассчитать удельную эффективную мощность N_e _уд и эффективную мощность N_e .

По данным расчетов строится график зависимости N_e(n).

Для определения удельного и абсолютного расходов топлива на этапах дросселирования, предварительно рассчитывается относительный расход топлива ,а затем определяется и .

Результаты расчетов занести в Таблицу и построить графики зависимостей: , .

Исходные данные для расчета:

– – расчетная степень повышения давления в компрессоре (N –порядковый номер студента по списку группы);

– , К – расчетная температура газа перед турбиной турбокомпрессора;

– , кг/с – расчетный расход воздуха через двигатель;

– , об/мин – расчетная частота вращения ротора на максимальном режиме работы двигателя;

– , об/мин – частота вращения ротора на минимальном режиме (МГ);

– , Па – давление воздуха на входе в двигатель (стандартные атмосферные условия);

– ,К – температура воздуха на входе в двигатель (стандартные атмосферные условия);

– – коэффициент сохранения полного давления во входном устройстве (воздухозаборнике);

– – коэффициент восстановления тепла, учитывающий повышение температуры в конце процесса расширения газа вследствие того, что процесс расширения газа в двигателе не адиабатический;

– – коэффициент сохранения полного давления в камере сгорания (КС);

– – коэффициент, учитывающий увеличение расхода газа М_г за счет топлива, введенного в двигатель;

– – коэффициент, учитывающий отбор воздуха на охлаждение узлов двигателя и другие нужды;

– – средний КПД компрессора;

– – средний КПД турбины турбокомпрессора;

– – средний КПД свободной (силовой) турбины;

– – КПД трансмиссии свободной турбины;

– – коэффициент полноты сгорания топлива;

– – КПД процесса расширения газа в двигателе;

– Дж/кг – теплотворная способность топливного газа;

– – средний показатель адиабаты воздуха в компрессоре;

– – показатель адиабаты газа за камерой сгорания. Определяется по таблице (приложение 1) с использованием графиков (приложение 3, 4) после расчета и .

Примечание: В данной работе для всех вариантов N допускается принять ряд усредненных значений: =1,308, 1,309, 1,311, 1,312, 1,314, 1,316;

– , Дж/кг∙К – удельная теплоемкость воздуха на входе в двигатель в стандартных атмосферных условиях (САУ);

– Дж/кг∙К – удельная теплоемкость воздуха за компрессором;

– – удельная теплоемкость газа за камерой сгорания. Определяется по таблице (приложение 2) с использованием графиков (приложение 3, 4) после расчета и .

Примечание: В данной работе для всех вариантов (N)допускается принять ряд усредненных значений , 1215, 1210, 1205, 1200, 1195;

– R_Г= 292, Дж/кг∙К – газовая постоянная для расширяющегося газа;

– , м/с – скорость истечения газа из выхлопного патрубка на расчетном режиме;

, где , где i = 1, 2, . . . 6.

Алгоритм расчета

1. Определить степень повышения давления в компрессоре :

2. Определить температуру газа за камерой сгорания :

, К

3. Определить расход воздуха на входе в двигатель

, кг/с.

4. Определить свободную энергию в двигателе :

, Дж/кг.

5. Определить площадь среза сопла :

, м²

6. Определить скорость истечения газа из выхлопного патрубка :

, м/с.

7. Определить удельную мощность на валу свободной турбины

, Вт∙с/кг.

8. Определить мощность на валу свободной (силовой) турбины :

, МВт.

9. Определить потребную работу компрессора :

, Дж/кг.

10. Определить температуру воздуха за компрессором :

, К.

11. Определить относительный расход топлива :

, кг_топл/кг_возд.

12. Определить удельный расход топлива :

, кг/кВт∙ч.

13. Определить часовой расход топлива :

, кг/ч.

14. Построить графики зависимостей , , .

15. Построить графики зависимостей для своего варианта, а также для вариантов N–3 и N+3 на одной координатной сетке.

16. Сделать выводы по работе.

Оформление отчета по работе

Отчет по работе оформляется на листах бумаги формата А4. построение графических зависимостей производится в удобных для определения масштабах на листах миллиметровой бумаги формата А4 с соответствии с ЕСКД. По оси абсцисс откладывается аргумент, а по оси ординат – функция. Учитывая, что все полученные функции монотонные, при построении графиков производить геометрическую интерполяцию.

В отчете должны быть отражены название и цели работы, исходные данные для расчета, алгоритм расчета с подставленными числовыми значениями и результатами расчета для i = 1, таблица с результатами расчетов для всех значений i, графики.

В выводах по выполненной работе необходимо сделать заключение о соответствии полученных зависимостей теоретическим характеристикам.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 948; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!