Термодинамический и газодинамический расчеты ТРДД ПС-90А

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИРКУТСК 2013

Термодинамический и газодинамический расчеты ТРДД ПС-90А



1.Общие сведения о ТРДД ПС-90А

ПС-90А -- российский турбовентиляторный двигатель с максимальной тягой 16 000 кгс. По схеме является двухконтурным турбореактивным двигателем со смешением потоков (внутреннего и наружного контуров). Разработан конструкторским бюро ОАО «Авиадвигатель». Устанавливается на пассажирские самолёты семейства Ил-96 (Ил-96-300, Ил-96-400), Ту-204 (Ту-204-100, Ту-204-300, Ту-214), и семейство самолётов Ил-76 (Ил-76МД-90, Ил-76ТД-90, А-50ЭИ, Ил-76МФ). Последняя разработка авиаконструктора П. А. Соловьёва, в честь которого и назван: ПС - Павел Соловьев. Производство осуществляет ОАО «Пермский Моторный Завод».

ПС-90 сертифицирован в 1992 и с тех пор находится в эксплуатации. Двигатель эксплуатируется по техническому состоянию в пределах назначенных ресурсов (циклов) основных деталей. Максимальная наработка без снятия с крыла составляет 12198 ч (з.н. 3949043102040), что в два раза превышает межремонтный интервал двигателей предыдущего поколения, а лидерный двигатель наработал 35503 ч (з.н. 3949042001017).

ПС-90А имеет сертификат о соответствии нормам ИКАО 2008 года по эмиссии и обеспечивает всем самолетам на которые устанавливается соответствие нормам ИКАО на шум самолетов.

Рис.



Рис. Модули двигателя ПС-90А. 1 - рабочее колесо вентилятора; 2 - спрямляющий аппарат; 3 - базовый; 4 - реверсивное устройство; 5 - турбина низкого давления; 6 - сопло; 7 - задняя опора; 8 - турбина высокого давления; 9 - коробка приводов; 10 - компрессор низкого давления; 11 - входной направляющий аппарат компрессора низкого давления

Модульность конструкции в сочетании с развитой системой диагностики и контролепригодности позволяют вести эксплуатацию двигателя по техническому состоянию. Все модули, кроме базового могут быть заменены в эксплуатации.

На двигателе осуществлена возможность замены отдельных составных частей модулей, а также наиболее повреждаемых деталей, таких как жаровые трубы и форсунки КС, решетки и створки РУ и др. Помимо этого, предусмотрена возможность замены всех установленных агрегатов и оборудования а также выполнения визуально-оптического осмотра всей проточной части. Для снижения уровня шума в корпусе двигателя установлены звукопоглощающие конструкции.

2.Термодинамический расчет ТРДД

ДАНО: тип двигателя - ТРДД;

тяга Ф=70000 Н ;

степень двухконтурности m=5,5 ;

степень повышения давления воздуха в компрессоре р^*_K?=30 ;

степень повышения давления воздуха в КНД р^*_КНД=3 ;

степень повышения давления воздуха в КВД р^*_КВД=13 ;

степень повышения давления воздуха в вентиляторе р^*_{ВЛ II}=1,5 ;

температура газа перед турбиной Т^*_Г=1600 К ;

расчетные условия , .

ОПРЕДЕЛИТЬ: параметры заторможенного потока в характерных сечениях двигателя;

удельные параметры и КПД двигателя;

расход воздуха через двигатель.

Рис.

1.Определение параметров рабочего тела перед двигателем (сечение Н-Н)

По таблицам МСА (прил.9) находим для заданной высоты давление и температуру и определяем параметры заторможенного потока и по формулам:



;

; ;

2.Определение параметров воздуха на входе в вентилятор (сечение В-В)

Согласно уравнению энергии находим:

Т^*_В=Т^*_Н=288,15 К.

Коэффициент восстановления полного давления во входном устройстве принимаем равным 1 и определяем по формуле:

; ;

3.Определение параметров рабочего тела за вентилятором в наружном контуре (сечение Вл-Вл)

КПД вентилятора выбираем 0,88 и находим работу сжатия воздуха в наружном контуре по уравнению:

;

;

Давление и температуру за вентилятором определяем по формулам:



; ;

;

4.Определение параметров воздуха за компрессором (сечение К-К)

КПД КНД и КВД определяем по приближенной формуле, задавая КПД ступени компрессора :

; ;

;

Эффективную работу сжатия воздуха в компрессорах находим по уравнению:

; .

; .

; ;



;

Температуру и давление за компрессором определяем по формулам:

; ;

; .

5.Определение параметров рабочего тела на выходе из камеры сгорания (сечение Г-Г)

Задавая коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания , находим давление перед турбиной:

; .

Температура газа перед турбиной задана в исходных данных:

.

Среднюю теплоемкость газа в камере сгорания вычисляем по формуле:

; .



Задавая коэффициент полноты сгорания ,и принимая значение теплопроводности топлива , находим относительный расход топлива:

;

6. Определение параметров газа за турбиной (сечение Т-Т)

Выбирая с учетом температуры газа за камерой сгорания относительно количество воздуха, отбираемого на охлаждение деталей турбины, и принимая значение механического КПД , определяем эффективную работу всех ступеней турбины ТРДД по уравнению:

; .

Принимая КПД турбины , , , вычисляем температуру и давление за турбиной по формуле:

; ;



;

7.Определение параметров рабочего тела на выходе из камеры смешения (сечение С_М-С_М)

Температуру рабочего тела на выходе из камеры смешения вычисляют по уравнению:

,

где - средняя теплоемкость воздуха в интервале от до ;

- средняя теплоемкость смеси, вычисляемая по формуле:

.

В приближенных расчетах можно принимать:

; ;

Тогда

Значение показателя адиабаты находится между и и может быть вычислено по формуле:



.

Газовая постоянная смеси имеет значение между

и

, которое определяют по формуле:

;

Тогда

Давление рабочего тела на выходе из камеры смешения определяют по приближенной формуле:

, где

- коэффициент восстановления полного давления при смешении потоков;

.

.

Тогда

8. Определение параметров рабочего тела на выходе из реактивного сопла (сечение С-С)



Критический перепад давлений вычисляют по уравнению:

;

При расширение в реактивном сопле полное и параметры рабочего тела определяют по формулам:

;

; ;

;

9. Определение основных удельных параметров турбореактивных двухконтурных двигателей со смешением потоков

Удельную тягу ТРДД со смешением потоков вычисляют по уравнению:

.

Так как , а V=0, то



;

Расход воздуха, удельный расход топлива и внутренний КПД определяют по формулам:

;

; ;

;

; ;

3.Газодинамический расчёт ТРДД

ДАНО: тип двигателя - ТРДД;

тяга P = 70000 Н

расход воздуха G =550,83 кг/с;

степень двухконтурности m = 5,5

Параметры рабочего тела в характерных сечениях проточной части взять по результатам термодинамического расчёта.

ОПРЕДЕЛИТЬ:

- диаметральные размеры основных сечений проточной части ТРДД;

- количество ступеней компрессора и турбины;

- частоты вращения роторов высокого и низкого давлений;

- уточнённые значения тяги удельного расхода топлива ;

- проанализировать полученные результаты, сравнить параметры

проектируемого двигателя с параметрами существующих, указать

возможную область применения.

1.Определение размеров сечения на входе в вентилятор

Учитывая сравнительно большой расход воздуха (550,83 кг/ с), для уменьшения диаметральных размеров двигателя задаём:

- осевую скорость воздуха C_1б = 200 м/с;

- окружную скорость лопаток вентилятора в периферийном сечении = 500 м/с;

- относительный диаметр втулки первой ступени вентилятора = 0,5;

Приведённую скорость и относительную плотность тока вычисляем по формулам:

; ;

;

Площадь сечения на входе в вентилятор находим по уравнению:

; ;

Диаметр РК на периферии вычисляем по формуле:

; ;

; ;



Диаметр условного сечения, разделяющего потоки I и II контуров, находим по формуле:

; ;

где = 550,83 кг/с, = 466,09 кг/с - расходы воздуха (суммарный и через наружный контур, определяемые при термодинамическом расчёте) .

2. Определение количества ступеней вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя

Окружную скорость лопаток на диаметре вычисляем по формуле:

; ;

Густоту решётки у втулки РК принимаем Вычисляем густоту решётки, закрутку воздуха и работу, сообщаемую воздуху рабочими лопатками вентилятора, на диаметре по уравнениям:

; ;

; ;

; ;



Среднее значение работы вентилятора в зоне внутреннего контура определяем по формулам:

;

; ;

Таким образом, окончательно принимаем вентилятор одноступенчатый,

размеры на входе ; ; ;

Работа в зоне наружного контура , в зоне внутреннего контура .

3.Распределение работы сжатия между каскадами компрессора и определение количества ступеней турбины высокого давления

Для того, чтобы проверить, можно ли выполнить вентилятор без присоединённых ступеней, определяем работу, которая в этом случае приходится на КВД:



; ;

Работу турбины высокого давления находим по формуле:

; ;

Приблизительно определяем, при какой окружной скорости турбины высокого давления можно получить работу .

Пусть . Тогда в случае двухступенчатой турбины () получаем:

;

Принимаем

Следовательно, можно принять схему двигателя с двухступенчатой турбиной высокого давления и одноступенчатым вентилятором.

Определим количество присоединенных ступеней:



Работа турбины распределяем между двумя ступенями:

; ;

4.Определение параметров воздуха и диаметральных размеров на выходе из вентилятора

Степень повышения давления воздуха в вентиляторе в зоне внутреннего контура определяем, принимая - как в термодинамическом расчёте:

;

Давление и температуру воздуха на выходе из КНД определяем по формулам:

;

;

Так как вентилятор одноступенчатый, и имея падение скорости в ступени порядка 10 м/с, принимаем , а с учетом двух присоединенных ступеней. Вычисляем , и площади сечений и по формулам:



;

;

по таблице газодинамических функций;

;

;

Наружный диаметр вентилятора принимаем равным ,

Диаметр условного сечения, разделяющего потоки наружного и внутреннего контуров на выходе из вентилятора, определяем по формуле:

;

Принимаем толщину разделительного корпуса между I и II контурами, равной 20 мм. Тогда внешний диаметр I контура равен 1,148 - 0,020 = 1,128 м. Диаметр втулки определяем по формуле:

;



Итак, на выходе из вентилятора имеем:

наружный контур;

внутренний контур;

5.Определение диаметральных размеров на входе в компрессор высокого давления

Параметры воздуха на входе в КВД:

температура воздуха:

;

давление воздуха с учётом потерь в переходном корпусе между вентилятором и КВД:

;

Задаём скорость воздуха на входе в КВД

Находим:

;

;

;



Относительный диаметр РК принимаем на входе в КВД и определяем наружный диаметр D_1квд:

;

Диаметр втулки РК первой ступени КВД находим по формуле:

;

Высоту лопаток на входе в КВД определяем по формуле:

;

6.Определение диаметральных размеров на выходе из компрессора высокого давления

Сначала уточняем параметры воздуха на выходе из КВД. Согласно термодинамическому расчёту давление . Работа . Температура воздуха за КВД

Степень повышения давления воздуха в КВД вычисляем по формуле:

;

Задаём скорость воздуха на выходе из КВД:



Вычисляем и по формулам:

; ;

- по таблицам газодинамических функций.

Площадь сечения на выходе из КВД находим по формуле:

;

Полагая = const, находим:

; ;

; ;

; ;

7.Определение диаметральных размеров на входе в турбину высокого давления

При определении количества ступеней турбины высокого давления было получено значение , принята для первой ступени работа . Задаём угол выхода потока из СА и находим скорость истечения газа из СА:



;

; ;

- по таблицам газодинамических функций.

Расход газа на выходе из СА рассчитываем по формуле:

; ;

Давление газа из термодинамического расчета .

Площадь сечения на выходе из СА определяем по формуле:

; ;

Принимаем , тогда:

; ;

; ;

Принимаем и находим :



;

Осевую скорость газа на входе в РК определяем по формуле:

; .

8.Определение диаметральных размеров на выходе из турбины высокого давления

Параметры газа на выходе из турбины высокого давления находим по формулам:

; ;

; .

Задаём приведённую скорость , что соответствует осевой составляющей скорости газа на выходе из турбины высокого давления:

.

По таблицам газодинамических функций находим .

Учитывая, что часть охлаждённого воздуха поступит в поток газа и смешается с ним, принимаем и находим расход на выходе из турбины высокого давления:



; .

Площадь сечения на выходе из турбины высокого давления определяем по формуле:

; .

Принимаем и находим высоту лопатки второй ступени турбины высокого давления (по выходной кромке):

; ;

Тогда:

; .

Принимаем , и находим :

; .

Для того, чтобы убедиться в приемлемости полученных размеров, вычерчиваем в масштабе проточную часть двухступенчатой турбины высокого давления и находим, что угол уширения проточной части не превышает 25° (допускается до 30°) Следовательно, диаметральные размеры высокого давления можно принять за окончательные.



9.Определение количества ступеней компрессора высокого давления

Работу первой ступени КВД вычисляем, принимая густоту решётки ;

; ;

; ;

; ;

; ;

Работу последней ступени КВД определяем, приняв густоту решётки у втулки ;

; ;

; ;

; .

Средняя работа ступени , количество ступеней КВД ступеней.

Распределение работы по ступеням и изменение осевой скорости воздуха в КВД приведено в табл.1. Сумма работ всех ступеней должна равняться работе компрессора, т.е. .

Таблица1. Распределение работы сжатия и осевой скорости воздуха по ступеням компрессора

	1	2	3	4	5	6	7	8
	72,1	74	75	60	50	43	38	34
	190	180	170	160	150	140	130	120

Количество ступеней КВД принимаем равным 8.

Баланс мощностей КВД и турбины высокого давления проверяем по формулам:

; ;

; ;

; ;

Частоту вращения ротора высокого давления определяем отдельно для компрессора и турбины по уравнениям:

; .

; .



10.Определение количества ступеней и распределение работы по ступеням турбины низкого давления

Учитывая, что на входе в ТНД температура газа и поэтому ТНД можно не охлаждать , а весь воздух ,охлаждающий элементы турбины высокого давления, смешивается с потоком газа, получаем :

; ;

; ;

По выполненному в масштабе чертежу проточной части находим ориентировочно . Тогда:

;

Параметр нагружения определяем при :

; .

Следовательно, можно применять четырёхступенчатую турбину.

; ;

;



11.Определение диаметральных размеров на выходе из первого соплового аппарата турбины низкого давления

Критическую скорость газа в СА ТНД определим по формуле:

; .

Принимая угол , находим скорость истечения газа из СА, полагая :

; ;

; .

Следовательно, перепад давлений в СА меньше критического и можно проектировать ступень турбины с осевым выходом газа из РК (т.е. ). В данном случае для уменьшения перепада давлений в СА уменьшаем скорость за счёт придания газу на выходе из РК закрутки в сторону, противоположную вращению.

Задаем =0,9

Тогда

;

;

.

Площадь сечения на выходе из СА ТНД находим по формуле:



При .

;

Тогда внешний диаметр на выходе из СА ТНД:

; .

Принимаем и находим :

;

Полученные размеры наносим на чертёж проточной части и находим, что с учётом переходного корпуса между турбиной высокого давления и ТНД полученные размеры можно считать приемлемыми.

12. Определение диаметральных размеров на выходе из турбины низкого давления

Параметры газа на выходе из ТНД находим по формулам:



; ;

; .

На выходе из СА ТНД осевая составляющая скорости газа равна , . Задаём приведённую скорость на выходе из ТНД: . По таблице газодинамических функций находим . Площадь сечения на выходе из ТНД вычисляем по формуле:

;

Принимаем и находим:

; ; ; .

Принимаем и определяем:

;



Проточную часть ТНД вычерчиваем в масштабе и находим, что геометрические размеры приемлемы. Следовательно, можно реализовать ТНД с четырьмя ступенями.

Баланс мощности турбины и вентилятора проверяем по уравнениям:

; ;

; ;

Частоту вращения ротора низкого давления определяем отдельно для вентилятора и турбины по формулам:

; ;

; ;

13.Определение диаметра сечения на выходе из сопла ТРДД

Скорость истечения из сопла

; ; ;

Площадь сопла и его диаметр определяем по уравнениям:



;

; ;

Полученные размеры наносим на чертёж проточной части.

турбовентиляторный двигатель тяга



Список литературы

1. Забобин В. В.

2. Теория авиационных двигателей. Термогазодинамический расчет двухконтурного турбореактивного двигателя: Учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2008. - 60 с. 3 табл., 3 ил., лит.: 3 наим., 9 прил.

3. Размещено на Allbest

...