Проектирование осевого компрессора

Проектирование осевого компрессора

1. Профилирование лопатки первой ступени компрессора высокого давления Этапом проектирования осевого компрессора, следующим за расчетом на среднем (геометрическом) радиусе, является расчет и построение решеток профилей компрессора по радиусу. При правильном выполнении этих двух этапов обеспечиваются требуемые параметры компрессора.

При учебном проектировании расчет решеток рабочего колеса и их лопаток проводят на трех характерныПроектирование осевого компрессора х радиусах.

Исходными данными для профилирования рабочей лопатки компрессора являются газодинамические и кинематические параметры профилируемой ступени на среднем радиусе, получаемые в результате газодинамического расчета многоступенчатого осевого компрессора. Далее по выбранному закону закрутки потока и по соответствующим формулам рассчитываются все параметры на трех сечениях.

Реальное течение воздуха в компрессоре является пространственным, периодически неустановившимся течением вязкого сжимаемого газа, математическое исследование которого в строгой постановке задачи в настоящее время практически невозможно. Для получения инженерных результатов реальное течение обычно рассматривается как установившееся, осесимметричное, при постоянстве гидравлических потерь по радиусу.

1.1 Исходные данные В качестве исходных данных профилирования примем параметры потока и размеры проточной части РК ступени компрессора. Основные исходные данные занесем в таблицу 1.1.

Профилирование ступени компрессора на ЭВМ Таблица 1.1 — Исходные данные

Принятые значения и допущения:

к — показатель адиабаты,

R — универсальная газовая постоянная,

При расчете принимаем

1.2 Выбор закона закрутки Выбираем закон изменения параметров по радиусу (законы закрутки потока). Критерием выбора оптимального закона закрутки по радиусу является обеспечение дозвуковых скоростей и приемлемых углов потока (в частности, M_w1 и M_c2 0,85…0,90, в₁ 25^o на периферии, в₂ 90^о на втулке). Для расчета первой ступени проектируемого компрессора примем закон «твердое тело» (на входе) при заданном Нт® .

Для получения более высоких окружных скоростей в ступени осевого компрессора при обеспечении дозвукового обтекания лопаток может быть применена закрутка потока, обеспечивающая постоянство ипо радиусу.

1.3 Профилирование ступени компрессора на ЭВМ В таблице 1.2 представлены основные исходные данные к расчетам; таблице 1.3 — результаты расчета при использовании закона крутки Rок=const пpи заданном Нт®. На рисунке 1.4 представлено изменение расходной и окружной составляющих абсолютной скорости по высоте лопатки, на рисунке 1.5 изменение приведенных скоростей по высоте лопатки в абсолютном и относительном движении, на рисунке 1.6 изменение углов потока в абсолютном и относительном движении по высоте лопатки, на рисунках 1.7−1.11 планы скоростей рабочего колеса компрессора на пяти радиусах.

Таблица 1.2 — Исходные данные

13 03 10 1 04 1.400 287.00 (дата, M, Ks, kг, Rг)

1.287 320.000 .23 .878 .985 1.000 .600 .641

0.000 180.000 288.15 97 302.15 71.390 0.3099 .988

0.000 0.000

_ _ _ _

Пi* Uк Hтвт КПД* Sна D21 d1вт d2вт

m С1асp Т1* P1* С1uсp D1к Кн

W1к/W1сp W1вт/W1сp

Тип ступени: 1 — дозвуковая ступень;

(M) 2 — свеpхзвуковая ступень .

Закон кpутки: 1 — пеpвая ступень без ВНА (С1u=0., А=В=D=0.);

(Ks) 2 — «свободный вихpь «(на входе) пpи заданном Нт®;

3 — «твеpдое тело «(на входе) пpи заданном Нт®;

4 — Rок=const пpи заданном Нт® ;

5 — по значениям W1к/W1сp и W1вт/W1сp.

Таблица 1.3 — Результаты расчета ГДР СТ. ОК ДАТА 13. 3.10

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

M= 1 KR= 4 КГ= 1.400 RГ= 287.00

1.287 320.00 .230 .878 .985 1.000 .600 .641

.000 180.00 288.15 97 302. 71.39 .310 .988

.000 .000 А= .450 B=-.122 D= .000

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТ. ОК

PI1=1.282 PI2=1.287 HZ1=24 279. HZ2=24 643. T01=312.32 T02=312.68

P01= 124 779. P02= 125 228.

(GB= 8.401 ROK= .5504 HTO= .2436 WC= 19 721.0)

Таблица 1

N U CU CA T0 T P0 P

ROTH RO C W LC LW AL BE

11 320.00 104.91 153.22 288.15 270.99 97 302. 78 482.

1.0000 1.0091 185.69 264.08 .5978 .8254 55.599 35.464

12 290.61 87.76 169.03 288.15 270.10 97 302. 77 583.

.9082 1.0008 190.45 264.05 .6131 .8265 62.563 39.803

13 260.42 69.21 181.21 288.15 269.42 97 302. 76 907.

.8138 .9946 193.98 263.44 .6245 .8258 69.098 43.462

14 228.15 47.93 190.38 288.15 268.97 97 302. 76 453.

.7130 .9904 196.32 262.16 .6320 .8228 75.870 46.569

15 192.00 21.38 196.26 288.15 268.75 97 302. 76 239.

.6000 .9884 197.42 260.06 .6356 .8172 83.784 48.997

* * * * * * * *

21 320.00 182.86 121.67 312.68 288.67 127 135. 96 119.

1.0000 1.1602 219.64 183.33 .6788 .5733 33.638 41.578

22 290.05 173.68 155.55 312.61 285.56 127 049. 92 546.

.9064 1.1292 233.16 194.26 .7207 .6086 41.848 53.200

23 262.15 162.84 182.11 312.41 282.70 126 793. 89 375.

.8192 1.1015 244.29 207.43 .7553 .6500 48.197 61.394

24 234.38 150.42 204.60 312.07 279.97 126 366. 86 426.

.7324 1.0756 253.94 221.16 .7856 .6928 53.677 67.688

25 205.43 136.02 224.57 311.60 277.29 125 770. 83 608.

.6420 1.0506 262.55 235.05 .8128 .7358 58.797 72.823

* * * * * * * *

81 320.00 104.91 153.22 288.15 270.99 97 302. 78 482.

1.0000 1.0091 185.69 264.08 .5978 .8254 55.599 35.464

82 290.05 87.42 169.29 288.15 270.08 97 302. 77 568.

.9064 1.0007 190.53 264.04 .6134 .8265 62.688 39.878

83 262.15 70.30 180.61 288.15 269.45 97 302. 76 939.

.8192 .9949 193.81 263.49 .6240 .8259 68.731 43.271

84 234.38 52.18 188.90 288.15 269.03 97 302. 76 520.

.7324 .9910 195.98 262.45 .6309 .8235 74.559 46.034

85 205.43 31.67 194.62 288.15 268.80 97 302. 76 287.

.6420 .9889 197.17 260.90 .6348 .8195 80.758 48.239

Рисунок 1.4 — Изменение расходной и окружной составляющих абсолютной скорости по высоте лопатки Рисунок 1.5 — Изменение приведенных скоростей по высоте лопатки в абсолютном и относительном движении Рисунок 1.6 — Изменение углов потока в абсолютном и относительном движении по высоте лопатки Рисунок 1.7 — План скоростей рабочего колеса компрессора на радиусе =1.000

Рисунок 1.8 — План скоростей рабочего колеса компрессора на радиусе =0.906

Рисунок 1.9 — План скоростей рабочего колеса компрессора на радиусе =0.819

Рисунок 1.10 — План скоростей рабочего колеса компрессора на радиусе =0.732

Рисунок 1.11 — План скоростей рабочего колеса компрессора на радиусе =0.642

Полученные результаты и построенная решетка профилей первой ступени компрессора удовлетворяет требованиям и сможет обеспечить требуемые параметры.

1.4 Расчет и профилирование лопатки на калькуляторе Расчет производим для первой ступени осевого компрессора.

В таблице 1.4 — С_а и С_u при использовании выбранного закона, в таблице 1.5 расчет некоторых параметров планов скоростей (скоростей С и W, углов б, в, Дв) и чисел М.

Таблица 1.4 — Расчет Са и Сu (закон закрутки «твердое тело» при заданной Hт®)

Таблица 1.5 — Расчет параметров планов скоростей

При расчете считалось, что б₃? б₁.

Полученные выше кинематические параметры являются исходными для расчета профилей лопаток и решеток РК дозвукового осевого компрессора. Но в виду получения более правильных профилей данными для профилирования будем брать из компьютерного расчета лопатки (п. 1.3, таблица 1.3).

· Расчет густоты решеток профилей Густота решетки b/t (b — хорда пера лопатки; t — шаг решетки) является параметром, в значительной степени определяющим аэродинамическую нагруженность лопаточного венца. Уменьшение значений густоты решетки в сравнении с оптимальными означает недогрузку ступени, а увеличение густоты отрицательно сказывается на КПД ступени.

Определение густоты решетки РК производится на так называемом номинальном режиме, который характеризуется бессрывным обтеканием решетки при отсутствии резкого роста потерь.

Отношение рассчитанного угла поворота потока к углу на номинальном режиме ^* определяет запас по срыву компрессорной решетки и выбирается в зависимости от положения ступени в компрессоре. Величину /^* для первой ступени принимаем равной 0,85.

· Выбор углов атаки лопаточного венца на номинальном режиме Расчетные углы атаки i по радиусу лопатки выбирают на номинальном режиме.

Отклонение от номинальных углов атаки может привести к существенному снижению КПД и сокращению диапазона устойчивой работы компрессора.

В современной практике углы атаки рассчитывают по эмпирическим формулам, учитывающим накопленный статический материал.

В первом приближении допустимо принимать углы атаки i=0 по всей высоте лопатки.

· Расчет углов изгиба профиля пера Из геометрических соображений угол изгиба профиля пера лопатки равен:

где — угол отставания потока в лопаточном венце.

относительный прогиб средней линии профиля. При дуге окружности =0.5.

Исходя из полуэмпирической зависимости для угла отставания потока на номинальном режиме можно определить:

Расчет параметров решетки на среднем радиусе:

Таблица 1.6 — Расчет параметров решетки на среднем радиусе

· Выбор дуги средней линии профиля Исходя из условия минимума потерь в решетке среднюю линию профиля пера лопатки при повышенных скоростях набегающего потока изгибают по дуге окружности или по двум сопряженным дугам окружностей.

Принимаем форму средней линии профиля пера лопатки — дуга окружности. Тогда для средней линии по дуге окружности целесообразно использовать соотношение для радиуса дуги:

.

Расчет углов средней линии профиля, углов наклона кромок пера и угла установки профиля в решетке Углы средней линии профиля лопатки на входе и на выходе:

Углы наклона входной и выходной кромок пера лопатки:

где k=0,5 при средней линии по дуге окружности.

Углы установки (выноса) профиля в решетке:

· Расчет осевого размера лопаточного венца Осевой размер лопаточного венца на соответствующем радиусе:

.

· Выбор относительной толщины профиля При выборе относительной максимальной толщины профиля пера по хорде стремятся получить достаточно тонкие профили, необходимые для обеспечения высокого КПД решетки (М

Для коротких рабочих лопаток () можно применять по всей высоте лопатки (порядка 0,05…0,06). Принимаем .

· Построение профилей лопаток и решеток профилей Построение профилей лопаток состоит из этапов построения средней линии и самого аэродинамического профиля. Из одинаковых профилей, расположенных с заданной густотой b/t под углами установки г к фронту решетки, составляют решетки профилей. Существуют аналитические и графоаналитические методы построения профилей лопаток и решеток профилей. Аналитические методы являются более точными и широко применяются в практике современного турбомашиностроения. Графоаналитические методы целесообразнее для учебных целей в связи с наглядностью и меньшей трудоемкостью вычислений. В данном курсовом проекте будем использовать графоаналитический метод построения профилей лопаток.

Таблица 1.7 — Расчет параметров лопаток и решеток профилей по радиусу

· Построение средней линии профиля При выбранной дуге средней линии пера профиля в виде дуги окружности разбиваем хорду на равное число участков (через 10% всей длины хорды, совпадающей с осью абсцисс). Ординаты средней линии вычисляют по приближенной зависимости:

.

Рассчитанные координаты точек средней линии представлены в таблице 1.8:

Таблица 1.8 — Результат расчета координат средней линии

Рис 1.12 Средняя линия профиля (втулка) Рис 1.13 Средняя линия профиля (среднее) Рис 1.14 Средняя линия профиля (периферия) Построение аэродинамического профиля и решетки профилей В качестве исходного аэродинамического профиля в проекте используем симметричный (y_B=y_H) профиль А-40 с расположением относительной максимальной толщины профиля равной =0,1, на расстоянии 40% длины хорды от входной кромки профиля

().

Координаты исходного аэродинамического профиля А-40 (в процентах от длины хорды b, — в процентах от величины максимальной толщины профиля С_bmax) представлены в табл. 1.9;

Таблица 1.9 — Координаты расчитаного профиля

Таблица 1.10 — Расчетные радиусы скругления

компрессор лопатка давление

Выводы В этой части курсового проекта были получены планы скоростей и решетки профилей первой ступени дозвукового осевого компрессора среднего давления в трех сечениях (втулочном, среднем и периферийном) при расчете вручную и в пяти сечениях при расчете на ЭВМ.

В качестве исходного аэродинамического профиля использовали симметричный профиль А-40. При профилировании использовался закон «твердого тела» на входе при заданном Нr.

Рассчитанная и построенная решетка профилей первой ступени осевого компрессора высокого давления удовлетворяет требованиям и сможет обеспечить требуемые параметры. Исходные данные взяты из газодинамического расчета осевого компрессора высокого давления. Полученные профили решетки профилей изображены на рис. 1.4- 1.8.

Полученные числа М_w1 потока во всех сечениях находятся на допустимом диапазоне, т. е. M_w11^* — т. е. не происходит запирания решеток профилей.