Газодинамический расчет многоступенчатого осевого компрессора

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технический университет

кафедра Теплотехники и энергетического машиностроения

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине «Энергетические машины»

Тема:  Газодинамический расчет многоступенчатого осевого компрессора

Проектировал студент _____________________                    _________________

                                                     (Ф.И.О)                                               (Подпись)                                                                            

                                               гр._____________                         __­­­­­­_______________

                                                                                
                      (№ зачетной книжки)

Консультировал  __________________________                    _________________

                                                     (Ф.И.О)                                               (Подпись)          

Оценка курсовой работы _____________________

Подпись преподавателя ________________

Дата _________________

Казань 2016 г.

СОКРАЩЕННЫЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА ОДНОВАЛЬНОГО ТРД

1.1.Выбор основных исходных данных первой ступени компрессора

Газодинамический расчет осевого компрессора одновального ТРД с постоянным средним диаметром  ( для следующих исходных условий:

высота

скорость полёта

начальная температура воздуха

начальное давление воздуха

расход воздуха

степень повышения давления

адиабатный КПД компрессора 

коэффициент сохранения полного давления во входном устройстве

Выбор данных:

1.     Степень реактивности первой ступени

2.     Относительный диаметр втулки первой ступени компрессора

3.     Окружная скорость на внешнем диаметре первой дозвуковой ступени

4.     Окружная скорость на среднем диаметре первой ступени

5.     Коэффициент теоретического напора  на среднем диаметре первой ступени . Тогда теоретический напор в ступени

6.     Выбираем коэффициент расхода на среднем диаметре первой ступени . Тогда осевая скорость

Определяем угол  входа воздуха в колесо первой ступени на среднем радиусе

 1,18446

7.     Коэффициент производительности первой ступени компрессора

где критическая скорость в первой ступени

Газодинамическая функция расхода  находится по значению  с использованием ГДФ

Следовательно,

Тогда,

8.     Число Маха на входе в рабочее колесо первой ступени

где приведенная окружная скорость

9.     Проверяем окружную скорость  на среднем диаметре колеса первой ступени.

Число Маха по окружной скорости колеса

Скорость звука на входе в колесо

Окружная скорость

10.                      Определяем густоту решетки рабочего колеса первой ступени на среднем диаметре. Для этого рассчитываем безразмерные величины

Определяем отношение   при густоте

и далее параметр

11.                      Затраченная работа в первой ступени

Для первой ступени можно принимать  и  

 

12.                      Диаметра колеса первой ступени компрессора определяется по параметрам на входе в компрессор

где

 

давление на входе в компрессор

при  k=1,4 и R=287,3

 – коэффициент учитывает неравномерность поля скоростей по высоте лопатки на входе в первую ступень и влияние пограничного слоя у наружной и внутренней стенок корпуса. Тогда,

1.2.  Предварительный расчет компрессора

Выбираем тип проточной части с  

1.     Средний напор ступеней в дозвуковом компрессоре с

В нашем случае

2.     Напор компрессора

3.     Число ступеней компрессора

Принимаем z = 7 и уточняем  

4.     Мощность, потребляемая компрессором

5.     Частота вращения компрессора

6.     Определяем напор по ступеням компрессора. В качестве средней ступени выбираем

7.     Распределение осевых скоростей по ступеням компрессора:

8.     Определяем параметры на выходе компрессора.

Выбираем , тогда при осевом выходе воздуха из компрессора

где

По  из таблиц ГДФ находим

Давление

Площадь проходного сечения

Средний диаметр

Высота лопатки спрямляющего аппарата последней ступени

9.     Степень реактивности  обычно увеличивают с увеличением номера ступени на %. Это позволяет получить большие значения коэффициента напора  при незначительном КПД. Результаты распределения  по ступеням показаны в таб.1.1.

10.                 Теоретический (эйлеровский) напор в ступенях компрессора

где  - коэффициент, отражающий неравномерность скоростей, линейно изменяется по длине проточной части компрессор (таб.1.1.)

Потери в зазорах  и потери от трения диска  обычно учитываются величиной . Произведение  уменьшается линейно (таб.1.1.)

11.                 Коэффициенты напора  и расхода

12.                 Определяем густоты решеток рабочего колеса  и спрямляющий аппарат  в наиболее нагруженной степени компрессора. В нашем случае это 5-ая ступень, так как в ней отношение  – максимальное.

Для этой ступени

Определяем отношение

Затем определяем параметр

Густота решетки рабочего колеса

Густота решетки спрямляющего аппарата 5-ой ступени определяется в такой последовательности:

а) Осевая скорость за рабочим колесом

б) окружная составляющая скорости воздуха на выходе из колеса

в) угол потока на выходе

угол выхода потока из спрямляющего аппарата

здесь

г)  поворот потока в решетке спрямляющего аппарата

д) по формуле определяем

где    и   , тогда параметр

е) далее определяем густоту решетки спрямляющего аппарата 6-ой ступени по формуле

что можно допустить.

13.                 Определяем КПД в отдельных ступенях компрессора. Зная напор

 и  КПД   последней ступени, вычисляем отношение

где приняли КПД 

КПД условного эквивалентного политропного процесса

КПД , соответствующий равенству напоров в действительном и эквивалентном политропном процессах сжатия

Далее находим

Напоры отдельных ступеней берутся из таб. 1.1. Величины  в остальных ступенях выбираем так, чтобы  . Выбранные величины  и значения  указаны в таб. 1.1.

14.                 Определяем температуру адиабатного потока воздуха

Для первой ступени

Результаты остальных расчетов сведены в табл. 1.1.

15.                 Ступень повышения давления в отдельных ступенях

Для проверки правильности этих расчетов вычисляем общую степень повышения давления , которая должна совпадать с заданной (см. табл. 1.1)

16.                 Полное давление на входе в i-ю ступень равно полному давлению на выходе из (i-1) – й ступени, т.е.

Результаты расчетов сведены в табл. 1.1.

Параметры	Раз- мер- ность	Ступени
1	2	3	4	5	6	7	К
		33,450	39	44	48	48	46	41,345	299,795
		185,07	185,07	185,07	180	173	166	160	155
	-	0,59	0,62	0,65	0,67	0,7	0,73	0,76	-
	-	0,98	0,97	0,965	0,96	0,95	0,94	0,93	-
	-	0,98	0,977	0,974	0,97	0,967	0,964	0,96	-
		33453	39281,44	44410,36	48500	48858,95	47174,46	42678,71	-
	-	0,34	0,3992	0,4514	0,4929	0,4966	0,4795	0,4338	-
	-	0,59	0,59	0,59	0,574	0,552	0,529	0,51	-
	-	0,86	0,87	0,8758	0,91	0,91	0,88	0,86	-
		28767	33930	38535,2	43680	43680	40480	35556,7	264629
	К	501,2	539,9	583,5	631,1	678,8	724,4	765,4	-
	К	468	501,2	539,9	583,5	631,1	678,8	724,4	765,4
	-	1,23	1,255	1,271	1,285	1,262	1,223	1,181	4,6
	Па	4,704	5,786	7,261	9,228	11,858	14,7965	18,301	21,64

Таблица 1.1

1.3.  Расчет продольных сечений компрессора

1. Окружная составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо ступени

2. Абсолютная и приведенная скорость на входе в колесо

где

По  и таблицам ГДФ находятся

3.     Угол входа в ступень по абсолютной скорости

Угол на выходе является одновременно и углом выхода потока из спрямляющего аппарата предыдущей ступени, т.е.

4.     Площадь сечения на входе в ступень

5.     Высота рабочей лопатки на входе в колесо и диаметры

Параметры	Раз- мер- ность	Ступени
1	2	3	4	5	6	7	К
		75,3	56,6	38,99	26,2	16,2	9,49	7,25	0
		199,8	193,5	189,1	181,9	173,8	166,3	160,2	160
		395,9	409,7	425,2	442,1	459,7	476,8	492,5	506,3
	-	0,5047	0,4724	0,448	0,4115	0,3779	0,3487	0,3252	0,3062
	-	0,7143	0,6778	0,6452	0,6043	0,5613	0,5227	0,4907	0,4643
	град	6752’	7259’	7806’	8143’	8439’	8643’	8724’	90
	-	0,926	0,956	0,979	0,99	0,996	0,998	0,999	1,0
	м2	0,168	0,144	0,122	0,106	0,091	0,08	0,067	0,0664
	м	0,093	0,08	0,068	0,059	0,051	0,045	0,034	0,04
	м	0,665	0,652	0,639	0,63	0,622	0,616	0,609	0,6079
	м	0,478	0,491	0,503	0,513	0,521	0,527	0,53	0,534
	-	4	3,7	3,4	3,1	2,8	2,5	2,2	-
	-	0,2	0,22	0,24	0,26	0,28	0,3	0,32	-
	м	0,023	0,022	0,02	0,019	0,018	0,0179	0,016	-
	м	0,021	0,019	0,018	0,017	0,016	0,016	0,016	-
	м	0,0047	0,0048	0,0048	0,0049	0,0051	0,0054	0,0054	-

1.4.  Схема меридионального сечения проточной части компрессора

       При вычерчивании схемы проточной части каскада высокого давления     используются известные из расчета величины:  число ступеней   и , численные значения которых берутся из табл. 3.3. Кроме того, используются следующие статистические соотношения:

удлинение лопаток  в первых ступенях и  в последних;

относительная ширина рабочих колес и направляющих аппаратов  на среднем диаметре;

относительная ширина осевых зазоров между решетками рабочих колес и направляющих аппаратов  в первых ступенях и  в последних.

Во всех соотношениях  есть хорда рабочей лопатки на среднем диаметре.

В примере выбрано уменьшение удлинения рабочих лопаток по линейному закону от  на первой ступени до 2,2 на последней. Увеличение относительного осевого зазора  от 0,2 на первой ступени до 0,395 на последней также выбрано по линейному закону. Величина  принята для всех ступеней одинаковой. Результаты расчета приведены в табл. 3.3.

Так как в примере расчет проходных сечений КВД производится только    для выбранных шести ступеней, то для вычерчивания профиля меридионального сечения целесообразно построить графики (рис. 3.8 и 3.9) изменения  и  во всех ступенях по их расчетным значениям в шести ступенях.

Построенный таким образом меридиональный профиль проточной части КВД приведен на рис. 3.10, из которого видно, что , что допустимо.

1.5.  Детальный газодинамический расчет первой ступени компрессора по среднему диаметру

1.     Угол потока воздуха на входе в рабочее колесо в относительном движении

2.     Относительная скорость воздуха на входе в колесо

3.     Скорость звука на входе в ступень

4.     Проверяется число Маха по относительной скорости на входе в рабочее колесо

5.     Густота решетки рабочего колеса

6.     Число лопаток рабочего колеса

Округляем полученное  до 74 , уточняем величину

7.     Уточняется длина хорды рабочей лопатки

8.     Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса

9.     Осевая скорость на выходе из колеса

где  .

10.  Абсолютная и приведенная скорости на выходе из колеса

где

11. Угол выхода из рабочего колеса в абсолютном движении

12. Давление адиабатного заторможенного воздуха на выходе из колеса:

КПД рабочего колеса  на среднем диаметре находится в пределах 0,92 - 0,94 (нами принято   ).

Величина коэффициента сохранения полного давления в спрямляющем аппарате  . В нашем случае

13.  Площадь кольцевого сечения на выходе из рабочего колеса

Величина  находится из таблиц ГДФ по значению

14.  Высота лопатки на выходе из рабочего колеса

15. Наружный диаметр на выходе из колеса

16. Внутренний диаметр за колесом

17.  Относительная скорость воздуха на выходе из колеса

18.  Угол выхода потока из рабочего колеса

19.  Угол отклонения потока в рабочем колесе

20.  Угол выхода потока из спрямляющего аппарата равен углу входа в следующую ступень, т.е.

В нашем случае 

21.  Угол отклонения потока в спрямляющем аппарате

22.  Номинальный угол отклонения потока  в спрямляющем аппарате

при  определяется по формуле

Где

23.  Густота решетки спрямляющего аппарата для

для

где

24.  Выбирая число лопаток  находим

Округляя число лопаток до  , уточняем

25.  Длина хорды лопаток спрямляющего аппарата

26.  Проверяем густоту решетки рабочего колеса. По углу  с помощью формулы находим

   Затем определяем параметр

где

Далее определяем

Что совпадает с найденной ранее величиной.