Основные конструктивные параметры турбины

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный университет науки и технологий

имени академика М.Ф. Решетнева»

КУРСОВА РАБОТА

Дисциплина: Машиностроение

Тема: Основные конструктивные параметры турбины

Преподаватель ____________ Д.А. Жуйков

Обучающийся _Д16-01, 161415014 _____________ А.Е. Петецкая

Красноярск

2020

Содержание

Введение

Общие исходные данные

I. Расчет насосов ТНА ЖРД

1. Исходные данные

2. Основные параметры

3. Расчет центробежного колеса

4. Подвод

5. Отвод

6. Расчет энергетических параметров насосов

7. Основные конструктивные параметры насосов

II. Расчет осевой предкамерной турбины ТНА ЖРД

1. Исходные данные

2. Основные параметры турбины

3. Параметры сопловой решетки

4. Параметры рабочей решетки

5. Расчет энергетических параметров турбины

III. Баланс мощностей

1. Баланс мощностей насоса горючего

2. Баланс мощностей насоса окислителя

3. Баланс мощностей турбины

Заключение

Библиографический список

Введение

Турбонасосный агрегат (ТНА) жидкостного ракетного двигателя является одним из наиболее ответственных и энергонапряженных его узлов, обеспечивающим непрерывную подачу компонентов топлива в камеру двигателя с требуемыми параметрами давления и массового расхода. Конструкция ТНА включает в себя насосы (два и более) и турбину (одну и более), расположенные на одном валу. Приводом агрегата является турбина, рабочее тело которой подводится из газогенератора, питаемого компонентами топлива, поступающими из насосов.

Основной задачей данного курсового проекта является расчет и проектирование ТНА на основе исходных данных - давление в камере сгорания, массовый расход и физико-химические свойства компонентов, а также гидравлические потери на различных участках двигательной установки.

Общие исходные данные

Окислитель	Жидкий кислород (О2)
Горючие	Керосин Т-1 (CH1,956)
Давление в КС	15 МПа
Массовый расход окислителя	37,13 кг/с
Массовый расход горючего	89,681 кг/с

турбонасосный агрегат ракетный двигатель

I. РАСЧЕТ НАСОСОВ ТНА ЖРД

1. Исходные данные

Компоненты топлива:

· окислитель: кислород

· горючее: керосин

Тип подвода: осевой

Давление в КС

Перепад давления на форсунках

Сопротивления магистралей

Массовый расход компонента через насос

кг/с

кг/с

Полное давление на выходе из насоса

(1.1)

(1.2)

Минимальное полное давление на входе насос

Максимальная температура на входе

Плотность компонента

Давление паров жидкости при Твх.макс

Динамическая и кинематическая вязкость компонента

(1.3)

(1.4)

Предельные напряжения вала на кручении

2. Основные параметры

Объемный расход компонента

(2.1)

(2.2)

Объемный расход к одному входу

(2.3)

(2.4)

Потребный напор

(2.5)

(2.6)

Кавитанционный резерв на несовершенство расчета

Допустимый срывной кавитанционный запас

(2.7)

(2.8)

Мощность двух насосов, затрачиваемая максимальная на валу

Коэффициент диаметра втулки шнека

(2.9)

(2.10)

Относительный диаметр втулки шнека

(2.11)

(2.12)

Максимальное значение кавитанционного коэффициента быстроходности насоса

(2.13)

(2.14)

Оптимальный коэффициент диаметра шнека

(2.15)

(2.16)

Оптимальный коэффициент эквивалентного диаметра шнека

Угловая скорость вала

(2.17)

(2.18)

Т.к. оба насоса располагаются на одном валу, выбираем одну угловую скорость, значение которой не превышает значения в формулах (2.17) и (2.18)

. Коэффициент быстроходности вала

(2.19)

(2.20)

Наружный диаметр шнека

(2.21)

(2.22)

Диаметр втулки

(2.23)

(2.24)

Эквивалентный диаметр шнека

(2.25)

(2.26)

Высота лопатки шнека

(2.27)

(2.28)

Средний диаметр шнека

(2.29)

(2.30)

Окружная скорость шнека на среднем диаметре

(2.31)

(2.32)

Эквивалентная площадь проходного сечения на входе в шнек

(2.33)

(2.34)

Осевая составляющая скорости на входе в шнек

(2.35)

(2.36)

Коэффициент кавитации шнека

(2.37)

(2.38)

Коэффициент потерь в подводе

Срывной кавитационный запас насоса

 (2.39)

(2.40)

(2.41)

(2.42)

(2.43)

(2.44)

Относительный диаметр входа (шнека)

Средний диаметр входа в шнек

(2.45)

(2.46)

Степень выноса лопаток на входе в колесо

Диаметр входа в колесо

(2.47)

(2.48)

Расходный параметр

Коэффициент диаметра входа в колесо

 (2.49)

(2.50)

Гидравлический КПД

коэффициент учитывающий конечное число лопаток

Относительный диаметр входа

(2.51)

(2.52)

Отношения площадей шнека и центробежного колеса

(2.53)

(2.54)

Относительна окружная составляющая абсолютной скорости потока на входе в шнек

(2.55)

(2.56)

(2.57)

(2.58)

(2.59)

(2.60)

Относительна окружная составляющая абсолютной скорости потока на входе в шнек

(2.61)

(2.62)

угол установки лопатки шнека

(2.63)

(2.64)

Шаг шнека на выходе

(2.65)

(2.66)

Эквивалентный шаг

Угол потока

(2.67)

(2.68)

Угол лопатки

(2.69)

(2.70)

Угол атаки на входе в шнек

(2.71)

(2.72)

Так как значения углов атаки менее трех градусов, выбираем их равными трем градусам:

Угол лопаток шнека на входе

(2.73)

(2.74)

Шаг шнека на входе

(2.75)

(2.76)

Число лопаток шнека

Густота решетки шнека

Углы конусности шнека

Осевая длина шнека

(2.78)

(2.79)

Длина лопатки шнека

(2.80)

(2.81)

Толщина лопатки в корневом сечении

(2.82)

(2.83)

Толщина лопатки на переферии

(2.84)

(2.85)

Средняя толщина лопатки

(2.86)

(2.87)

Толщина лопатки на диаметре Dср.Ш..Г

(2.88)

(2.89)

Окружная скорость шнека на диаметре шнека

(2.90)

(2.91)

Коэффициент кавитации шнека

(2.92)

(2.93)

Кавитационный коэффициент быстроходности насоса

 (2.94)

(2.95)

Напор шнека

(2.96)

(2.97)

Реальный зазор между шнеком и корпусом

(2.98)

(2.99)

Расход через шнек при нулевом напоре

(2.100)

(2.101)

Ширина межлопаточного канала шнека

(2.102)

(2.103)

Гидравлический диаметр шнека

(2.104)

(2.105)

Относительная скорость потока шнека

(2.106)

(2.107)

Гидравлические потери шнека

(2.108)

(2.109)

Действительный напор шнека

(2.110)

(2.111)

КПД шнека

(2.112)

(2.113)

3. Расчет центробежного колеса

Ширина лопаток на входе

(3.1)

(3.2)

Меридианальная скорость

(3.3)

(3.4)

Окружная скорость на входе

(3.5)

(3.6)

Окружная составляющая абсолютной скорости

(3.7)

(3.8)

Угол потока на входе

 (3.9)

(3.10)

Угол атаки

Угол установки лопатки на входе

(3.11)

(3.12)

Коэффициент напора

(3.13)

(3.14)

Окружная скорость потока на наружном диаметре

(3.15)

(3.16)

Наружный диаметр

(3.17)

(3.18)

(3.19)

(3.20)

Отношение площадей входа и выхода центробежного колеса

Угол установки лопатки на входе

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

Ширина колеса на входе

(3.25)

(3.26)

Относительный диаметр колес

(3.27)

(3.28)

Число лопаток колес

 (3.29)

(3.30)

Шаг лопатки на входе

(3.31)

(3.32)

Абсолютная скорость на входе

(3.33)

(3.34)

Относительная скорость на входе в колесо

(3.35)

(3.36)

Окружная скорость на выходе из колеса

Меридиональная скорость на выходе

(3.37)

(3.38)

Относительная скорость на выходе

(3.39)

(3.40)

Окружная составляющая абсолютной скорости

(3.41)

(3.42)

Абсолютная скорость на выходе из колеса

(3.43)

(3.44)

Эмпирический коэффициент конечного числа лопаток

 (3.45)

(3.46)

Коэффициент учитывающий конечное число лопаток

(3.47)

(3.48)

Абсолютная погрешность расчета коэффициента, учитывающего конечное число лопаток

(3.49)

(3.50)

Теоретический напор рабочего колеса

(3.51)

(3.52)

Теоретический напор идеального колеса

 (3.53)

(3.54)

Окружная скорость

(3.55)

(3.56)

Наружный диаметр колеса

(3.57)

(3.58)

Относительный диаметр

(3.59)

(3.60)

Толщина диска колеса над шнеком

Закрутка потока на входе

(3.61)

(3.62)

Оптимальная закрутка на входе

(3.63)

(3.64)

4. Подводы

Площадь сечения выхода в подвод

(4.1)

(4.2)

Площадь сечения входа в подвод

(4.3)

(4.4)

Диаметр входа

(4.5)

(4.6)

Скорость

(4.7)

(4.8)

5. Отвод

Ширина колеса с дисками

(5.1)

(5.2)

Ширина спирального сборника

(5.3)

(5.4)

Относительный радиальный размер кольцевого безлопаточного диффузора

(5.5)

(5.6)

Площадь горла отвода

Коэффициент потерь в коническом диффузоре

Площадь горла отвода на входе

(5.7)

(5.8)

Функция потерь горла отвода

(5.9)

(5.10)

(5.11)

(5.12)

(5.13)

Площадь горла

(5.14)

(5.15)

Скорость потока в горле отвода

(5.16)

(5.17)

Эквивалентный диаметр горла

(5.18)

(5.19)

Потери на трении спирального сборника

(5.20)

(5.21)

Параметры на выходе из конического диффузора

Скорость на выходе

Площадь

(5.22)

(5.23)

Диаметр выхода из конического диффузора

(5.24)

(5.22)

Эквивалентный угол конического диффузора

Длина конического диффузора

(5.23)

(5.24)

Коэффициент потерь конического диффузора

(5.25)

(5.26)

(5.27)

(5.28)

Потери конического диффузора

(5.29)

(5.30)

Коэффициент потерь в отводе

(5.31)

(5.32)

6. Расчет энергетических параметров

Гидравлический КПД насоса с учетом потерь в отводе, без учета влияния шнека и без наличия закрутки на входе

(6.1)

(6.2)

(6.3)

(6.4)

Гидравлический КПД насоса с учетом шнека

(6.5)

(6.6)

Гидравлический КПД отвода

(6.9)

(6.8)

Гидравлический КПД шнека центробежного насоса

(6.9)

(6.10)

Коэффициент расхода через уплотнение насоса

(6.11)

Диаметр переднего уплотнения

(6.12)

(6.13)

Удельная работа, затрачиваемая жидкость при протекании через уплотнение

(6.14)

(6.15)

Расход утечек жидкости через переднее уплотнение по покрывному диску

(6.16)

(6.17)

Расход жидкости

(6.18)

(6.19)

Расходный КПД

(6.20)

(6.21)

6.11 Число Рейнольдса дисков колеса

(6.22)

(6.23)

Коэффициент трения дисков

(6.24)

(6.25)

Мощность дисков трения

(6.26)

(6.27)

Дисковой КПД насосов

(6.28)

(6.29)

Внутренний мощностной КПД насоса

(6.30)

(6.31)

Механический КПД

,

Полный КПД насоса

(6.32)

(6.33)

Полезная мощность

(6.34)

(6.35)

Мощность, потребляемая насосом

(6.36)

(6.37)

Мощность вала

(6.38)

(6.39)

(6.40)

7. Основные конструктивные параметры

1. Наружный диаметр

2. Средний диаметр шнека

3. Средний диаметр входа в шнек

4. Диаметр входа в колесо

5. Шаг шнека на входе

6. Шаг шнека на выходе

7. Осевая длина шнека

8. Реальный зазор между шнеком и корпусом

9. Ширина центробежного колеса на выходе

10.Ширина лопатки центробежного колеса на входе

11. Диаметр переднего уплотнения

12. Наружный диаметр колеса насоса

II. Расчет осевой предкамерной турбины тнажрд

1. Исходные данные

Полезная мощность турбины

Частота вращения турбины

Давление в камере ЖРД

Давление на выходе из насоса горючего

Гидравлическое сопротивление магистралей

Давление на входе в турбину

(1.1)

Гидравлическое сопротивление магистралей с форсуночной головкой

Давление на выходе из турбины

(1.2)

Температура заторможенного рабочего тела

Коэффициент адиабаты

Газовая Постоянная

Динамическая вязкость газогенераторного газа



Газодинамические функции

(1.3)

(1.4)

(1.5)

(1.6)

(1.7)

2. Основные параметры турбины

Отношение давлений

(2.1)

Адиабатная работа

(2.2)

КПД турбины в первом приближении

Адиабатная мощность турбины (без потерь)

 (2.3)

Определяемый массовый расход

(2.4)

Степень реактивности

Адиабатная работа сопловой решетки

(2.5)

Адиабатная скорость истечения в сопловой решетке

(2.6)

Отношение средней окружной скорости к адиабатной

Окружная скорость на среднем диаметре

(2.7)

Средний диаметр диска турбины

(2.8)

Адиабатный объемный расход через турбину

 (2.9)

Коэффициент быстроходности

(2.10)

3. Параметры сопловой решетки

Критические параметры сопловой решетки

.1Критическое отношение давлений

(3.1)

Критическое давление

(3.2)

Критическая температура

(3.3)

Критическая скорость в сопловой решетке

 (3.4)

(3.5)

Скорость звука местная на входе в сопловую решетку

(3.6)

Абсолютная скорость на входе в сопловую решетку

(3.7)

Приведенная адиабатная скорость

(3.8)

Число Маха на выходе из сопловой решетки

(3.9)

Давление на выходе из сопловой решетки

(3.10)

Температура на выходе из сопловой решетки

 (3.11)

Местная скорость звука на выходе из сопловой решетки

(3.12)

Число маха на выходе из сопловой решетки (проверка)

(3.13)

Адиабатная плотность газа

(3.14)

Адиабатный объемный расход через турбину

(3.15)

Скоростной коэффициент сопла ( в первом приближении )

Действительная скорость истечения на выходе из сопловой решетки

(3.16)

Действительная приведенная скорость

(3.17)

Число маха на выходе из сопловой решетки действительное

(3.18)

Угол установки сопловой решетки на входе

Угол установки сопловой решетки на выходе

Коэффициент полного давления в сопловой решетки

(3.19)

Удельный объем газа за сопловой решёткой

(3.30)

Коэффициент расхода

(3.31)

Площадь сопловой решетки на выходе

(3.32)

Высота сопловой решетки

(3.33)

Проверка

(3.34)

Диаметр диска турбины

(3.35)

Степень парциальности

(3.36)

Относительная ширина сопловой решетки

Ширина сопловой решетки

(3.37)

Выбран профиль сопловой решетки С - 9022А стр.49.

Угол установки сопловой решетки

Относительный шаг сопловой решетки

Хорда профиля сопловой решетки

(3.38)

Шаг сопловой решетки

(3.39)

Число лопаток сопловой решетки

(3.40)

Принимаем целое

Уточняем шаг сопловой решетки

(3.41)

Коэффициент потерь скорости

Скоростной коэффициент сопла действительный

(3.42)

Плотность газа в зазоре

(3.43)

Газодинамическая функция

(3.44)

Температура торможения в относительном движении

(3.45)

Критическая температура торможения в относительном движении

(3.46)

Критическая скорость звука в относительном движении

(3.47)

4. Параметры рабочей решётки

Коэффициент потерь в рабочие решетки турбины

Скоростной коэффициент рабочей решётки

(4.1)

Ширина рабочей решетки

(4.2)

Перекрыш на периферии

Перекрыш у втулки

Высота лопатки рабочего колеса турбины

 (4.3)

Диаметр диска турбины

(4.4)

Относительная ширина рабочей решетки

(4.5)

Угол потока на входе в колесо

(4.6)

Угол отаки для дозвуковых рабочих решеток

Угол лопатки на входе рабочей решетки

(4.7)

Угол лопатки на выходе из рабочей решетки

Число маха в относительном движении

м (4.8)

Приведенная скорость в зазоре при относительном движении

 (4.9)

Температура в зазоре при относительном движении

(4.10)

Давление в зазоре при относительном движении

(4.11)

Относительная скорость на входе в колесо

(4.12)

(4.13)

Критическая температура торможения в относительном движении

(4.14)

Критическая скорость в относительном движении

(4.15)

Кинетическая энергия газа в относительном движении на входе

 (4.16)

Кинетическая энергия газа в относительном движении полная

(4.17)

Адиабатная скорость потока на выходе из рабочей решетки

(4.18)

Действительная скорость потока на выходе

(4.19)

Приведенная скорость в относительном движении

(4.20)

(4.21)

Давления газа на выходе из рабочей решетки

(4.22)

Температура на выходе из рабочей решетки

(4.23)

Температура на выходе из рабочей решетки

Угол установки на выходе из рабочей решетки колеса

(4.24)

Число маха на выходе из рабочей решетки при относительном движении

(4.25)

(4.26)

Вабран профиль решетки Р-4629А

Угол установки рабочей решетки

Относительный шаг рабочей решетки

Коэффициент потерь в рабочей решетки турбины

Относительная ширина решетки

 (4.27)

Ширина бандажа

(4.28)

Относительная ширина бандажа

(4.29)

Шаг рабочей решетки

(4.30)

Число лопаток колеса

(4.31)

Шаг рабочей решетки

(4.32)

4.36 Ширина рабочей решетки

(4.33)

Хорда лопатки

(4.34)

Абсолютная скорость на выходе рабочей решетки

(4.35)

4.29 Угол потока на выходе в абсолютном движении

(4.36)

5. Расчет энергетических параметров турбины

Показатель политропы расширения газа в РР

(5.1)

Работа расширения газ РР

(5.2)

Минимальный осевой или радиальный зазор

(5.3)

Относительный минимальный зазор

(5.4)

Коэффициент расхода уплотнения

Расход утечек над бандажом

(5.5)

Площадь кольца утечек над бандажом

(5.6)

Гидравлический диаметр над бандажом

(5.7)

Скорость утечек над бандажом

(5.8)

Расход газа через РР турбины

(5.9)

Окружной КПД

(5.10)

(5.11)

(5.12)

Окружная работа

(5.13)

Расходный КПД

(5.14)

Окружная мощность

(5.15)

Число Рейнольдса диска турбины

(5.16)

Число Рейнольдса бандажа

Коэффициент трения диска турбины

(5.17)

Мощность дискового трения

(5.18)

Коэффициент трения бандажа

(5.19)

Мощность трения бандажа

(5.20)

Полезная мощность

(5.21)

Эффективная работа

(5.22)

Коэффициент работы турбины

 (5.23)

Адиабатная мощность турбины

(5.24)

Эффективный коэффициент турбины

(5.25)

Погрешность расчета КПД

(5.26)

Дисковой КПД турбины

(5.27)

Основные конструктивные параметры

1. Диаметр диска турбины

2. Средний диаметр диска турбины

3. Ширина рабочей решетки

4. Ширина бандажа

5. Ширина сопловой решетки

6. Высота сопловой решетки

7. Высота лопатки рабочего колеса турбины

III. Баланс мощностей

1. Баланс мощностей насоса горючего

Вт - мощность насоса, посчитанная изначально

Вт - полезная мощность

Вт - механическая мощность

Вт - мощность дисков трения

Вт - расходная мощность

Вт - гидравлическая мощность

Вт - мощность насоса израсчета баланса мощностей

2. Баланс мощностей насоса окислителя

Вт - мощность насоса, посчитанная изначально

Вт - полезная мощность

Вт - механическая мощность

Вт - мощность дисков трения

Вт - расходная мощность

Вт - гидравлическая мощность

Вт

3. Баланс мощностей турбины

Вт - адиабатная мощность (посчитанная изначально)

Вт - эффективная мощность турбины

Вт - расходная мощность турбины

Вт - окружная мощность

Вт - мощность дискового трения

Вт



Заключение

В соответствии с заданием был рассчитан турбонасосный агрегат, обеспечивающий необходимый массовый расход при заданном давлении в камере сгорания 15 МПа. В работе был достигнут уровень КПД насоса горючего - 0.65, насоса окислителя - 0.70 и турбины - 0.76, а также предложена эскизная компоновка ТНА.

Исходя из давления в камере была выбрана схема ДУ с дожиганием генераторного газа. Турбина работает на восстановительном газе, что позволяет добиться большей температуры, а, следовательно, получить больше мощности от турбины. Однако при использовании восстановительного газа неизбежно наличие неполное сгорание, а также отложения сажи в соплах турбины и других местах газового тракта, что приводит к снижению КПД турбины.

Библиографический список

1. Выбор параметров и расчет лопаточных машин двигателей летательных аппаратов: учебное пособие/ М.В. Краев, А.А. Кишкин. - Красноярск: СибГАУ, 2003. - 156 с.;

2. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей: учебник/ Б. В. Овсянников, Б. И. Боровский. - 3-е изд., перераб. и доп.. - Москва: Машиностроение, 1986. - 376 с.;

3. Химия и технология компонентов жидкого ракетного топлива / Г.Ф. Большаков. - Л. : Химия, 1983. - 320 с.;

4. Атлас конструкций ЖРД : (Описания) / МАИ им. Серго Орджоникидзе, каф. 203. - М. : Изд-во МАИ. Ч. II / сост.: Г. Г. Гахун [и др.] ; под общ. ред. Г. Г. Гахуна. - 1973. - 153 с.;

5. Атлас конструкций ЖРД. - М. : Изд-во МАИ. Ч.II / сост.: Г. Г. Гахун [и др.] ; ред. Г. Г. Гахуна. - 1973. - 108 с.;

6. Атлас профилей решеток осевых турбин : учеб. пособие для студ. вузовМ.Е. Дейч, Г.А. Филиппов, Л.Я. Лазарев. - М. : Машиностроение, 1965. - 96 с.

Размещено на Allbest.ru

...