Газотурбинный двигатель для привода электрогенератора на базе ДО-49

СОДЕРЖАНИЕ

1. Расчет и построение решеток профилей дозвукового осевого компрессора

2. Расчет и построение решеток профилей турбины

2.1 Расчет треугольников скоростей на трех радиусах

2.2 Расчет геометрических параметров решетки

2.3 Расчет и построение профилей рабочей лопатки турбины на ЭВМ

3. Расчет и построение эскиза камеры сгорания

4. Расчет и профилирование проточной части диффузора Заключение Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

В наше время ГТД получили широкое применение не только в авиации, но и в наземной и морской технике. Различные типы ГТД используются в качестве привода нефтеи газоперекачивающих станций, электрогенераторов наземного и морского транспорта, установки для получения сжатого воздуха, используемого в технологических целях в пневмосистемах, газоструйные установки для очистки взлётно-посадочных полос аэродромов, транспортных путей от мусора и т. д.

ГТД, в сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, отличаются меньшей массой и габаритами, имея при этом большой удельный расход топлива. Целесообразность применения ГТД объясняется легкостью запуска, удобством обслуживания, меньшими эксплуатационными затратами, а следовательно и относительной дешевизной.

В настоящее время особое внимание уделяется разработке ГТД для газоперекачивающей отрасли и энергетике. Применяются не только конвертируемые авиационные двигатели, но и специально разработанные ГТД для привода газоперекачивающих агрегатов различной мощности, электрогенераторов.

В данном курсовом проекте приводится проектировочный расчёт приводного газотурбинного двигателя выполненного по турбовинтовой блокированной схеме.

Прототипом для привода послужил двигатель ДО-49, разработанный в КБ «МАШПРОЕКТ», отличительными чертами которого являются следующие основные показатели (на базовом режиме):

Номинальная мощность, кВт 3,4

Частота вращения об/мин 14 000

Расход воздуха, кг/с 16,5

Степень повышения давления 12,8

1 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ РЕШЕТОК ПРОФИЛЕЙ ДОЗВУКОВОГО ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Проектирование элементов проточной части компрессора для получения высоких КПД должно выполняться с учётом изменений параметров газа по высоте лопатки. При этом допускается считать постоянными значения давления и температуры воздуха по заторможенным параметрам перед ступенью компрессора в радиальном и окружном направлениях. Рассчитывая ступень компрессора вполне достаточно определить параметры потока и треугольники скоростей в пяти сечениях.

Для получения более высоких окружных скоростей в ступени осевого компрессора при обеспечении дозвукового обтекания лопаток примем закон постоянства степени реактивности и теоретического напора по радиусу. С ростом U, уменьшением с_а и увеличением с_u по радиусу уменьшаются абсолютные и относительные скорости и углы потока в ступени с ?_к=const, Н_т= const. Лопатки РК такой ступени закручены по высоте несколько меньше, чем при законе с_ur =const.

Лопатки ВНА сильнее изогнуты в периферийной части и почти не отклоняют поток у втулки, а в ступени с с_ur =const лопатки ВНА должны быть изогнуты у втулки значительно больше, чем на периферии. Так же преимуществом выбранного закона является возможность использовать более высокие значения окружных скоростей в связи с меньшим изменением W₁ по радиусу. 1]

Табл. 1.1 Исходные данные

Исходные данные для расчета берутся из подробного газодинамического счета на среднем радиусе.

Далее, выбрав закон крутки потока, по соответствующим формулам рассчитываются все параметры в трех сечениях (радиусах).

Расчет с_а и с_u при с_1а= с_2а для данного закона закрутки () приведен в табл.1.2; расчет некоторых параметров планов скоростей приведен в табл.1.3[1].

Табл.1.2 Расчет с_а и с_u при с_1а= с_2а

Табл.1.3 Расчет некоторых параметров планов скоростей

(для воздуха принять К=1,39 и R=287 Дж/кгК).

По результатам расчетов в масштабе строим треугольники скоростей на трех радиусах, (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 Треугольники скоростей Полученные выше кинематические параметры являются исходными для расчета профилей лопаток и решеток РК дозвукового осевого компрессора, который производится в определенной последовательности.

Табл.1.4 Расчет параметров решетки на среднем радиусе

Табл.1.5 Расчет параметров лопаток и решеток профилей по радиусу.

Табл.1.6 Результаты расчета координат средней линии

По результатам расчетов строим решетки профилей рабочего колеса первой ступени компрессора.

Рисунок 1.2 Решетки профилей Таблица 1.7 Координаты рассчитанного профиля

Назначены значения относительной максимальной толщины профиля пера с учетом линейности их распределения по радиусу, вычислены абсолютные значения максимальной толщины с_bmax. В табл.1.5 внесены значения диаметра «горла» А_Г, получаемые в дальнейшем при графическом построении решетки, а также посчитанные значения А₁.

2. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ РЕШЕТОК ПРОФИЛЕЙ ТУРБИНЫ

Газодинамический расчет турбины, как правило, выполняется в предположении, что параметры потока на среднем радиусе соответствуют параметрам, осредненным по высоте лопатки. Для того, чтобы проектируемая турбина обеспечивала заданную мощность и обладала высоким КПД, лопаточные венцы ее должны обеспечивать на всех радиусах проточной части расчетные поворот и ускорение потока при возможно меньших потерях энергии. Выполнение этих требований достигается как выбором закона закрутки потока по радиусу, так и проектированием профильной части (профилированием) сопловых и рабочих решеток.

Профилирование лопаток рабочего колеса первой ступени турбины выполняется по закону ₁=const и ₂=const .

Применение закона ₁=const и ₂=const значительно упрощает технологию изготовления лопаток СА и РК, позволяет создать хорошую конструктивную базу для их монтажа в статоре и роторе. При ₁=const сопловые лопатки первой ступени турбины являются некручеными и имеют иногда постоянный профиль по высоте, что способствует организации внутреннего охлаждения. В реальной практике процесс проектирования турбинных лопаток достаточно сложный и трудоемкий, требующий зачастую противоречивого влияния газодинамических, прочностных, конструктивных и технических факторов. При этом оптимальная конструкция пера лопатки является результатом варьирования многочисленных параметров, что создает предпосылки применения ЭВМ. [3]

2.1 Расчет треугольников скоростей на трех радиусах

Табл.2.1 Исходные данные

После выбора закона закрутки потока по радиусу определяем параметры газа во втулочном и периферийном сечениях. Расчет параметров потока проводим в такой последовательности.

1.Радиусы струйки тока на втулке и периферии в сечениях 1−1 и 2−2

2.Окружные скорости на входе и выходе из рабочего колеса

3.Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из лопаток соплового аппарата

при .

4.Расходная составляющая абсолютной скорости на выходе из лопаток соплового аппарата

5.Угол потока в абсолютном движении на выходе из лопаток СА

?.

6.Абсолютная скорость на выходе из лопаток СА

7.Приведенная скорость перед РК в абсолютном движении

8.Угол потока в относительном движении на входе в лопатки РК

9.Относительная скорость на входе в лопатки РК

10.Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из лопаток РК

где работа на окружности колеса Lu

11.Окружная составляющая относительной скорости на выходе из лопаток РК

12.Расходная составляющая абсолютной скорости на выходе из лопаток РК

13.Угол потока в относительном движении на выходе из лопаток РК

14.Угол потока в абсолютном движении на выходе из лопаток РК

15.Относительная скорость на выходе из лопаток РК

16.Абсолютная скорость на выходе из лопаток РК

17.Угол поворота потока в относительном движении

18.Температура газа за РК по заторможенным параметрам потока в относительном движении

19.Приведенная скорость за РК в относительном движении

20.Термодинамическая степень реактивности

Результаты расчетов параметров потока во втулочном, среднем и периферийном сечениях вносим в табл.2.2

Табл.2.2

Расчет треугольников скоростей можно считать законченными, поскольку полученные параметры во втулочном сечении удовлетворяют условиям w2>w1, ?2>55° и ??<120°.

На следующем этапе проектирования определяем геометрические параметры решеток профилей. При этом расчет параметров и построение профилей выполняем для обеспечения закрутки потока по закону ?1=const, ?2=сonst. В целях удобства вычислений и графических построений вычисляем в миллиметрах геометрические параметры решетки.

Исходными данными для определения геометрических параметров решеток профилей являются треугольники скоростей на трех радиусах и следующие конструктивные параметры, полученные в результате газодинамического расчета турбины на среднем диаметре.

2.2 Расчет геометрических параметров решеток профилей

1. Радиусы расположения среднего, втулочного и периферийного сечений проточной части:

,

При таком выборе расчетных сечений профиль будет установлен не по линиям тока, а горизонтально. Однако несоответствие цилиндрических сечений коническим невелико и им можно пренебречь.

мм.

мм.

мм.

2. Шаг решетки:

мм.

мм.

3. Хорду профиля принимаем постоянной по высоте лопатки:

мм.

4. Угол установки профиля лопатки в решетке:

град (значение взято из газодинамического расчета турбины).

град.

5. Геометрический (конструктивный) угол решетки на входе выбираем в зависимости от углов потока и :

, .

6. Геометрический угол решетки на выходе принимаем равным эффективному углу:

где — угол отставания потока. при и .

При закрутке потока по закону угол отставания принимаем неизменным по высоте лопатки ().

град.

7. Угол отгиба выходной кромки :

профиля РК выбирают в пределах 15.20 градусов (при этом не меняется по высоте лопатки) при > 0.7. С учетом этого принимаем град.

8. Ширина горла межлопаточного канала:

При

мм.

мм.

мм.

9. Относительную толщину профиля лопатки :

находим в зависимости от на среднем радиусе. Для не охлаждаемых лопаток во втулочных сечениях величину выбираем в пределах =(1.25…1.35). В периферийных сечениях не рекомендуется применять относительную толщину профиля лопаток менее 4,5%, т.о.. Это связано с резонансными колебаниями рабочих лопаток по высокочастотной форме.

Принимаем =1,15. Откуда =1,15.

10. Абсолютную толщину профиля лопатки:

мм.

мм.

мм.

11. Относительное удаление максимальной толщины профиля :

.

.

.

12. Абсолютное удлинение максимальной толщины профиля:

мм.

мм.

мм.

13. Радиус скругления входной кромки:

Радиус скругления входной кромки профиля выбираем, используя соотношение. Большие значения коэффициентов соответствуют охлаждаемым лопаткам вдоль которых величину можно принимать постоянной. Принимаем :

мм.

мм.

мм.

14. Радиус скругления выходной кромки:

принимаем постоянным по высоте лопатки.

мм.

15. Угол заострения входной кромки :

где — длина развертки профиля, определяемая по формуле:

— радиус окружности, равный 0,5.

мм.

мм.

мм.

мм.

мм.

мм.

град.

град.

град.

16. Угол заострения выходной кромки выбираем 7 град и принимаем постоянным по высоте лопатки.

17. Угол, образованный лучом, проходящим через центры окружностей радиусами и, и фронтом решетки:

град.

град.

град.

Результаты расчетов геометрических параметров решеток профилей в среднем, втулочном и периферийном сечениях вносим в табл.2.3

Табл.2.3

Таким образом, мы спрофилировали лопатку турбины высокого давления по высоте

2.3 Расчёт и построение решёток профилей рабочей лопатки турбины на ЭВМ

В этом разделе приведены исходные данные и расчетные соотношения, используемые при газодинамическом расчете авиационных турбин с охлаждаемыми лопаточными венцами. Как правило, газодинамический расчет многоступенчатых турбин выполняют при заданной форме ее проточной части. Поскольку основные исходные данные для расчета турбины получают в результате термогазодинамического расчета двигателя и согласования параметров его лопаточных машин, то к началу расчета проточная часть двигателя, а, следовательно, и его турбины, уже известны. Этот этап проектирования облегчают правильным выбором двигателя прототипа[3].

Исходные данные для расчета решетки турбинной ступени приведены в табл. 2.4.

Исходные данные для профилирования лопаток турбины

Результаты расчета программы, а так же графики и эскизы профилей приведены в табл.2.5

Таблица 2.5 Результаты расчета программы

Таблица 1 Изменение параметров потока по радиусу

Таблица 2

По результатам расчёта первой ступени осевой турбины на пяти радиусах на ЭВМ, с помощью программы gfrt.exe были построены решетки профилей ступени (рис. 2.1), профили рабочей лопатки турбины (рис. 2.2), с помощью программы oct.exe — планы распределения углов входа и выхода потока газа на лопатки СА и РК по радиусу лопатки, распределения и по радиусу лопатки, планы распределения расходной и окружной составляющих абсолютной скорости по радиусу лопатки (рис. 2.3, 2.4, 2.5), а также треугольники скоростей потока в ступени (рис. 2.6).

Рис 2.1 Решетки профилей первой ступени турбины Рис 2.2 Профили рабочей лопатки турбины Рис 2.3 Зависимости Alf=f (Ro) и Be=f (Ro)

Рис 2.4 Зависимости Lc=f (Ro) и Lw=f (Ro)

Рис 2.5 Зависимости Ca=f (Ro) и Cu=f (Ro)

Рис 2.6 Треугольники скоростей осевой турбины В ходе расчета решетки профилей рабочего колеса первой ступени осевой турбины, взяв закон крутки, получили значения основных кинематических параметров потока и геометрических параметров решетки профилей в пяти сечениях, степень реактивности на втулке не отрицательна.

3. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ЭСКИЗА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

компрессор газотурбинный двигатель диффузор Камеры сгорания — важный узел двигателя, работающий в тяжелых условиях механических нагрузок и высоких тепловых напряжений. Камера сгорания предназначена для реализации подвода тепла к рабочему телу. Тепло в КС выделяется в результате реакции горения топлива. Горючим является природный газ, окислителем — кислород, содержащийся в воздухе.

Требуется с помощью программы проектирования камер сгорания газотурбинных двигателей спроектировать камеру сгорания по габаритам совпадающую с прототипом. Основные параметры камеры сгорания берутся из газодинамического расчета компрессора и турбины предыдущего курсового проекта по теории лопаточных машин.

Таблица 3.1 Исходные данные для расчета:

Файл исходных данных представлен в таблице 3.2

Таблица 3.2

Результаты расчета программы представлены в таблице 3.3

Результаты расчета

Таблица 3.3

Проведен поверочный расчет камеры сгорания, из которого найдены ее основные геометрические параметры[6]. Однако из-за простоты расчета полученные данные можно использовать только в первом приближении, так как не учтено влияние множества факторов, связанных как с геометрией, так и с особенностями протекания процессов в камере сгорания. При расчете применялась методика расчета выносной камеры сгорания, при этом использовалось геометрическое подобие с камеры сгорания прототипа двигателя.

4. РАСЧЕТ И ПРОФИЛИРОВАНИЕ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ДИФФУЗОРА

Диффузор — аэродинамическое устройство, предназначенное для преобразования кинетической энергии потока в потенциальную с возможно большей эффективностью. Поскольку прямолинейные и слабоизогнутые кольцевые диффузоры в турбостроении не применяются вследствие ограничений на осевые габариты выхлопа, то наибольшее распространение нашли выхлопные патрубки ГТУ, представляющие собой осерадиальные диффузоры. Они представляют собой криволинейный кольцевой диффузор, разворачивающий поток на 90?. Эти диффузоры обладают минимальными габаритами, простотой конструкцией и хорошей технологичностью.

В настоящее время в энергетических ГТУ применяются осерадиальные диффузоры, для которых отсутствуют жесткие ограничения на предельные габариты. Наиболее важным параметром при проектировании осерадиальных диффузоров является определение оптимальной степени расширения nопт:

Расчет осерадиального диффузора проводим при помощи программы diffuzor.exe, которая позволяет выполнять расчет по предварительно заданным габаритным размерам диффузора. При этом его проточная часть профилируется с оптимальной степенью конфузорности на поворотном участке.

Таблица4.1 Исходные данные

Результаты расчета приведены в таблице 4.2

Таблица4.2

По результатам расчета строим проточную часть диффузора.

Эскиз проточной части представлен на рис. 4.1.

Рис 4.1 Эскиз выходного устройства В ходе расчетов получены геометрические параметры диффузора, согласно которым был определен коэффициент полных потерь. Так как целью курсового проекта является ознакомление с методами проектирования узлов ГТУ, можно считать данный расчёт диффузора законченным. При производстве данной установки форма диффузора требовала бы некоторой корректировки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте рассмотрены следующие разделы:

— профилирование ступени компрессора;

— профилирование ступени турбины;

— поверочный расчет камеры сгорания;

— расчет основных геометрических параметров выходного диффузора.

Ступень компрессора спрофилирована по закону с постоянным распределением по радиусу степени реактивности и теоретического напора.

Для профилирования ступени турбины применили закон постоянства угла на выходе из направляющего аппарата ?1 и на выходе из рабочего колеса ?2.

В поверочном расчете камеры сгорания с помощью ЭВМ определили ее основные геометрические параметры: диаметры, площади различных сечений, объем жаровых труб и другие.

С помощью ЭВМ рассчитали форму и степень повышения давления диффузора.

По полученным данным двух последних разделов сделаны эскизы камеры сгорания и выходного диффузора, однако их применение ограничивается с учетом первого приближения в их расчетах.

1. Незым В. Ю. Расчет и построение решеток профилей дозвукового осевого компрессора. — Харьков: ХАИ, 1988.

2. Павленко Г. В. Профилирование рабочей лопатки осевой ступени компрессора. — Харьков: ХАИ, 1999.

3. Коваль В. А. Профилирование лопаток авиационных турбин. — Харьков: ХАИ, 1986.

4. Герасименко В. П. Проектирование камер сгорания газотурбинных двигателей.- Харьков: ХАИ, 1999

5. Волов А. Г. Выходные устройства компрессоров и турбин.- Харьков «ХАИ»