Проектирование осевой турбины

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Федеральное агентство по образованию  
Самарский государственный аэрокосмический университет 
имени академика С.П. Королева

 

Кафедра теории двигателей летательных аппаратов 
 
Курсовая работа по курсу 
«Теория и расчет лопаточных машин» 
Проектирование осевой турбины авиационного двигателя   JT9D20  
Вариант №7 
 
 
 
 
 
 

Самара 2008 

Задание

 

Произвести проектный расчет основных параметров турбокомпрессора высокого давления и построить меридиональное сечение турбины высокого давления ТРДД JT9D-70A, произвести термодинамический расчет турбины, кинематический расчет второй ступени турбины и спрофилировать лопатку рабочего колеса в трех сечениях: втулочном, среднем и периферийном сечениях.

 

Исходные данные для  расчета турбины.

 

Исходные параметры турбины известны из термодинамического расчета двигателя на взлетном режиме (H_П=0 и M_П=0).

 

 

Турбина высокого давления
Параметр	Численное значение	Размерность
Т*Г	1600	К
Р*Г	2365,835	кПа
G*ГВД	76,918	кг/с
L*ТВД	537,396	кДж/кг
Т*ТВД	1130,929	К
Р*ТВД	510,246	кПа
h* ТВД	0,903	—
π*ТВД	4,637	—
uср.твд	432	м/с
YТВД	0,56	—
Zтвд	2	—
Турбина низкого давления
Параметр	Численное значение	Размерность
Т*ГНД	1130,929	К
Р*ГНД	510,246	кПа
G*ГНД	85,979	кг/с
L*ТНД	320,944	кДж/кг
Т*ТНД = Т*Т	856,753	К
Р*ТНД = Р*Т	148,314	кПа
h* ТНД	0,925	—
π*ТНД	3,44	—
uср.тнд	204	м/с
YТНД	0,548	—
Zтнд	5	—

 

Таблица 1 – Исходные данные для  проектирования турбины

 

Реферат

Курсовая работа по термогазодинамическому проектированию осевой турбины JT9D20.

Пояснительная записка: 32 стр., 1 рис., 2 табл., 3 прил., 4 источника.

 

 

ТУРБИНА, КОМПРЕССОР, ПРОТОЧНАЯ ЧАСТЬ, КОЛЕСО РАБОЧЕЕ, АППАРАТ СОПЛОВОЙ, СТУПЕНЬ, УГОЛ ВЫХОДА ПОТОКА, УГОЛ ЭФФЕКТИВНЫЙ, УГОЛ УСТАНОВКИ ПРОФИЛЯ, ШАГ РЕШЕТКИ, ШИРИНА РЕШЕТКИ

 

 

В данной курсовой работе был произведен расчет диаметральных размеров турбины высокого давления, построено меридиональное сечение проточной части, выполнен кинематический расчет ступени на среднем диаметре и расчет параметров по высоте лопатки при законе закрутки α=const с построением треугольников скоростей на входе на выходе из РК в трех сечениях (втулочном, периферийном и сечении на среднем диаметре). Рассчитан профиль лопатки рабочего колеса второй ступени с последующим построение контура профиля в решетке в трех сечениях.

 

Содержание

 

Условные обозначения

D- диаметр, м;

- относительный диаметр втулки;

h – высота лопатки, м;

F- площадь сечения, м²;

G – массовый расход газа (воздуха), кг/с;

H – высота полета, км; напор компрессора, кДж/кг;

i - удельная энтальпия, кДж/кг;

k – показатель изоэнтропы;

l – длина, м;

М – число Маха;

n – частота вращения, 1/мин;

Р – давление, кПа;

l - приведенная скорость;

с – скорость потока, м/с;

q(l), p(l), t(l) – газодинамические функции от l;

R – газовая постоянная, кДж/кг×град;

L^*_к(т) – удельная работа компрессора (турбины);

h_к(т) – КПД компрессора (турбины);

S – осевая ширина венца, м;

Т – температура, К;

t - назначенный ресурс, ч;

V – скорость полета, м/с;

z – число ступеней;

p_к, p_т – степень повышения (понижения) полного давления;

s - коэффициент восстановления полного давления воздуха (газа) в элементах двигателя; растягивающие напряжения, МПа;

n - коэффициент изменения массового расхода;

U – окружная скорость , м/с;

Y_т^*=U_{т ср}/C^*_тs – параметр нагруженности турбины;

D- величина зазора, м;

e=U²_{т ср}h_{т вых}/D_{ср вых} – параметр напряжений в лопатках турбины, м²/с²;

К_тк, К_тв – параметры согласования газогенератора, турбовентилятора.

 

 

 

 

Индексы

a – осевая составляющая;

в – воздух , сечение на  входе в компрессор ;

вент  – вентилятор ;

взл – взлетный;

вт  – втулочное сечение;

г – газы , сечение на  выходе  из  турбины ;

к – компрессор , сечение на  выходе  из  компрессора ;

кр – критический ;

кс – камера  сгорания ;

н- сечение  невозмущенного  потока ;

на  – направляющий аппарат;

охл – охлаждение;

п – полетный параметр, периферийный диаметр;

пр  – приведенные параметры;

пс  – подпорная  ступень;

s – изоэнтропические параметры;

с – секундный , сечение на  выходе  из  сопла ;

ср  – средний параметр;

ст  – параметр ступени;

т – топливо , турбина , сечение на  входе в турбину ;

ч – часовой ;

*- параметры  торможения.

 

Сокращения

ВД – высокое давление;

НД – низкое давление;

ВНА – входной направляющий аппарат; 

ГДФ – газодинамические функции ;

ГТД – газотурбинный  двигатель ;

КПД – коэффициент полезного  действия;

НА – направляющий аппарат;

РК – рабочее колесо;

СА – сопловой аппарат турбины;

САУ – стандартные атмосферные  условия ;

ТРДД – турбореактивный двухконтурный двигатель.

 

Введение

Данная работа содержит упрощенный вариант газодинамического расчета осевой турбины, при котором вариантный поиск оптимальных (компромиссных) параметров заменяется надежными статистическими рекомендациями, полученным при систематизации материалов по расчету турбин современных ГТД. Проектирование выполняется по исходным параметрам, полученным в термогазодинамическом расчете двигателя.

Цель проектирования осевой авиационной  турбины состоит в определении  основных геометрических, кинематических и термодинамических параметров в целом и ее отдельных ступеней, которые обеспечивают расчетные значения удельных и общих параметров двигателя. В этой связи задачи проектирования предполагают: выбор основных геометрических параметров проектируемой турбины при заданных параметрах рабочего тела с учетом целевого назначения ГТД; распределение теплоперепада по ступеням, выполнение расчета параметров потока в зазорах между ступенями; расчет параметров потока в элементах проточной части второй ступени турбины на среднем диаметре; выбор закона закрутки и расчет изменения параметров потока вдоль радиуса (высоты лопатки) проектируемой ступени; выполнение профилирования рабочих лопаток проектируемой ступени.

 

1. Проектный расчет основных параметров турбины высокого давления.

1.1. Расчет геометрических и режимных параметров турбины ВД.

Геометрические параметры турбины, которые необходимо определить, приведены на рисунке1.

Рисунок 1 – Геометрическая модель осевой турбины

 

 

1. Определяется величина отношения  D_ср/h₂ (h₂ – высота рабочих лопаток на выходе из турбины ВД) по формуле

,

где ε_т – параметр напряжений, величина которого обычно располагается в пределах (13…18)∙10³ м²/с².

Принимаем ε_т=15∙10³ м²/с². Тогда:

С целью получения высокого КПД  желательно иметь  . Поэтому выбирается новое значение . Тогда,

2. Задаваясь величиной осевой скорости газа на входе в турбину (С₀=150 м/с), определяют приведенную осевую скорость λ₀ (λ₀=0,20…0,25)

;

Кольцевая площадь на входе в СА турбины ВД:

3. Вычисляем кольцевую площадь на выходе из турбины . Для этого предварительно оценивают величину осевой составляющей скорости на выходе из турбины . Принимаем, что / = 1,5; . Тогда

; ;

.

4. По выбранной величине  , определяется высота рабочей лопатки на выходе из турбины ВД:

.

5. Средний диаметр на выходе  из турбины ВД

.

6. Периферийный диаметр на выходе  из РК:

.

7. Втулочный диаметр на выходе  из РК:

.

8. Форма проточной части имеет вид: Поэтому:

Высота сопловой лопатки на входе  в турбину оценивается следующим  образом:

.

9. Периферийный диаметр соплового аппарата на входе в турбину ВД:

.

10. Втулочный диаметр на входе в турбину ВД:

.

11. Частота вращения ротора турбины  ВД:

.

 

1.2. Построение  меридионального сечения проточной 
части турбины ВД.

Наличие меридиональной формы проточной  части необходимо для определения характерных диаметров D_i в любом контрольном сечении ступени, а не только в сечениях «0» и «2». Эти диаметры служат основой при выполнении, например, расчета параметров потока на различных радиусах проточной части, а также проектирования профилей контрольных сечений пера лопатки.

1. Ширина  венца соплового аппарата первой  ступени: 
принимаем    к_СА = 0,06

2. Ширина  венца рабочего колеса первой  ступени:

принимаем    к_РК = 0,045

 

3. Ширина  венца соплового аппарата второй ступени:

4. Ширина  венца рабочего колеса второй  ступени:

5. Осевой  зазор между сопловым аппаратом  и рабочим колесом обычно определяется  из соотношения:

 

Осевой зазор между сопловым аппаратом и рабочим колесом первой ступени:

6. Осевой зазор между рабочим  колесом первой ступени и сопловым  аппаратом второй ступени:

7. Осевой зазор между сопловым  аппаратом и рабочим колесом второй ступени:

8. Радиальный зазор между торцами  перьев лопаток и корпусом  обычно принимается в диапазоне  0,8…1,5 мм. В нашем случае принимаем: 

 

2. Газодинамический расчет турбины ВД.

2.1. Распределение теплоперепада по ступеням.

Термодинамические параметры рабочего тела на входе  и 

выходе из ступеней.

 

1. Найдем среднее значение теплоперепада на ступень

.

Теплоперепад последней ступени  принимают равным:

Принимаем:

 кДж/кг

Тогда:

 кДж/кг

2. Определим степень реактивности (для второй ступени)

м

;

       ; .

3. Определим параметры термодинамического состояния газа на входе во вторую ступень

; ;

; ; .

4. Вычислим величину изоэнтропической работы в ступени при расширении газа до давления .

Принимаем :

.

5. Определим параметры термодинамического состояния газа на выходе из ступени при условии изоэнтропического расширения от давления до :

; .

6. Вычислим степень понижения газа в ступени:

.

7. Определим полное давление на входе в ступень:

,

8. Угол выхода потока из РК принимаем .

9. Газодинамические функции на выходе из ступени

; .