Термогазодинамический расчет газогенератора приводного ГТД

дипломная работа

1.3.4 Профилирование рабочей лопатки первой ступени турбины

Проектирование элементов проточной части турбины для получения высоких КПД должно выполняться с учётом изменений параметров газа по высоте лопатки. При этом допустимо принимать полные давления и температуры газа перед ступенью турбины постоянными в радиальном и окружном направлениях. Рассчитывая ступень турбины вполне достаточно определить параметры потока и треугольники скоростей в пяти сечениях.

Применение закона и значительно упрощает технологию изготовления лопаток соплового аппарата и рабочих колёс, позволяет создавать хорошую рабочую базу для их монтажа в статоре и роторе. При лопатки соплового аппарата первой ступени турбины являются не кручеными и имеют почти постоянный профиль по высоте, что способствует организации внутреннего охлаждения.

Профилирование проводится с использованием ЭВМ [6]. Исходные данные берутся из расчёта турбины на ЭВМ.

Хорду профиля лопатки b принимаем постоянной по высоте лопатки. Геометрический (конструктивный) угол решётки на входе выбираем в зависимости от углов потока и . Геометрический угол решетки на выходе принимаем равным эффективному углу =-=.

Поскольку в первых ступенях современных турбин (), то =0.

При закрутке =const угол принимают неизменным (const).

Углы и в пяти сечениях по радиусу заносим в таблицу.

Радиус скругления входной кромки находим по формуле:

R=0.2…0.3 C, где C= C*В (В- хорда лопатки в данном сечении).

Радиус скругления выходной кромки принимаем постоянным по высоте лопатки: R=0.29=const.

Профилирование рабочей лопатки турбины производим на ЭВМ с помощью программы осt.exe.

Исходные данные и результаты расчёта приведены в табл.1.12. Треугольники скоростей представлены на рис. 1.20. Решётки профилей рабочего колеса турбины - на рис. 1.21-1.22. Изображение профилей лопатки в пяти сечениях по высоте приведены на рис. 1.23.

Дата 6. 6. 7 KZ= 1 Кг=21.000 Rг=******

D1ср=.3330 D2ср=.3330 h1=.0300 h2=.0330

C1aср=161.00 C2aср=170.00 C1uср=497.00 C2uср=-32.20

alf1с= 18.00 be1ср= 43.90 be2ср= 25.20

Л1=.814 Фи=.958 Пси=.962 Rтс=.287

n =18900.0 T2*=1110

Изменение параметров потока по радиусу

Паpаметp | Сечение по высоте лопатки| 1(пеp) 2 3(сp) 4 5(вт)

r.1822.1744.1665.1586.1508

ro 1.000.9568.9136.8704.8272

U 1.718 1.643 1.569 1.495 1.421

C1u 461.1 478.3 497.0 517.4 539.7

C1a 149.3 154.9 161.0 167.6 174.9

alf1 18.00 18.00 18.00 18.00 18.00

C1 484.6 502.8 522.4 543.9 567.4

be1 18.00 18.00 18.00 18.00 18.00

C2u -22.39 -27.01 -32.20 -38.07 -44.75

W2u 24.11 28.65 33.77 39.57 46.17

C2a 171.2 170.7 170.0 169.1 168.0

be2 81.98 80.47 78.76 76.83 74.63

Л1.7551.7833.8140.8474.8840

Rт.3864.3397.2870.2272.1590

T2w 90.01 90.01 90.01 90.01 90.01

Л2w.2334E-01.2336E-01.2340E-01.2345E-01.2352E-01

Л1w.6521E-01.6766E-01.7033E-01.7323E-01.7642E-01

Л2.2331E-01.2333E-01.2336E-01.2341E-01.2347E-01

dbe 80.01 81.53 83.23 85.17 87.37

alf2 82.55 81.01 79.27 77.31 75.08

Профилирование лопатки РК по радиусу

Паpаметp | Сечение по высоте лопатки| 1(пеp) 2 3(сp) 4 5(вт)

ro 1.000.9568.9136.8704.8272

b 19.30 19.30 19.30 19.30 19.30

t 15.69 15.01 14.33 13.65 12.98

t/b.8128.7777.7425.7074.6723

Cm 2.297 2.500 2.702 2.910 3.107

xcm.7502.7906.8308.8703.9074

be1l 60.00 56.00 52.00 46.00 40.00

be2l 23.29 23.29 23.29 23.29 23.29

r1.6200.6800.7300.8000.8390

r2.4890.4890.4890.4890.4890

Число pабочих лопаток - 73. шт.

(Данные по пpофилиpованию записаны в файл gfrt.dat)

Для профилирования ступени турбины применили закон крутки потока: ,. Из результатов расчета решетки профилей турбины по радиусу видно, что параметры параметры во втулочном сечении удовлетворяют условиям: с< с, 2>55o, <120o, степень реактивности на втулке положительна. Это говорит о том, что лопаточный венец обеспечивает заданный энергообмен и не превышает допустимого уровня потерь.

Рис.1.23 Треугольники скоростей первой ступени турбины

Рис.1.24 Решётки профилей рабочего колеса турбины

Рис.1.25 Решётки профилей рабочего колеса турбины

Рис.1.26Профили лопатки в пяти сечениях по высоте

Выводы

Результатом выполнения расчетно-теоретической части данной работы является выбор параметров и термогазодинамический расчёт двигателя, согласование параметров компрессора и турбины, газодинамический расчёт компрессора и турбины, расчёт решетки профилей рабочего колеса первой ступени компрессора и турбины.

В результате проведенного термогазодинамического расчёта были получены основные удельные параметры двигателя Nеуд=222кВтс/кг и Сеуд=0,2382кг/кВтч; определили температуру и давление в характерных сечениях, а также параметры основных узлов.

По результатам проведенного согласования параметров компрессора и турбины были получены в первом приближении геометрические размеры и основные газодинамические параметры по сечениям. Определили нагрузки и КПД компрессоров и турбин: осевой компрессор имеет 12 ступеней ОК-средненагружен =0,2325, =0,86;турбина компрессора:2 ступени-средненагружены z=3,156, =0,9;турбина силовая 4 ступени z=6,0, =0,91.Относительный втулочный диаметр на выходе из осевого компрессора должен быть 0,92.При проектировании получили =0,9105.

Величина (h/Dcp) на входе в турбину должна быть больше 0,065 и меньше 0.33 на последних ступенях (полученные нами значения: (h/Dcp)г=0,1102; (h/Dcp)т=0,1979). В результате вышеперечисленных расчетов получена частота вращения ТК =20327об/мин, и частота вращения свободной турбины =6930 об/мин.Значения параметров лежат в допустимых пределах.

В результате расчёта компрессора были определены значения кинематических и термодинамических параметров потока в ступенях, выполнено согласование ступеней по КПД, распределены работы между ступенями.Анализируя результаты расчета необходимо обратить внимание на такие параметры:угол 1 должен быть 1>25град, ,Мw10.85.

В результате газодинамического расчёта турбины получены следующие значения нагрузок: тк1=1,6,тк2=1,4, тс1=1,6, тс2=1,55, тс3=1,534, тс4=1,49.

Степень реактивности у втулки во всех ступенях положительна. Углы выхода потока из СА в абсолютном движении превышают 16град, а угол выхода потока из РК (2) последней ступени в абсолютном движении близок к 90град.

Для профилирования ступени турбины применили закон крутки потока:,.Из результатов расчета решетки профилей турбины по радиусу видно, что параметры параметры во втулочном сечении удовлетворяют условиям: с,2>55град,<120град,степень реактивности на втулке положительна. Это говорит о том, что лопаточный венец обеспечивает заданный энергообмен и не превышает допустимого уровня потерь.

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Краткое техническое описание узлов ГТД

Проектируемый двигатель состоит из следующих основных составных частей: осевого компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора и свободной турбины.

Осевой компрессор приводится во вращение турбиной компрессора. Принцип работы двигателя заключается в следующем: воздух через входное устройство засасывается осевым компрессором, сжимается в нем. Из компрессора воздух поступает в камеру сгорания. В камере сгорания к воздуху подводится тепло путем сжигания газа, подаваемого через форсунку. Часть воздуха участвует в сжигании газа, часть охлаждает трубу камеры сгорания и, смешиваясь с продуктами сгорания, образует газ требуемой температуры. Энергия полученной смеси используется в турбине двигателя.

Из камеры сгорания газ поступает в осевую турбину. В ней происходит преобразование тепловой энергии горячих газов в механическую работу. В свободной турбине мощность используется для привода электрогенератора.

Осевой компрессор

Осевой компрессор двенадцатиступенчатый, предназначен для сжатия атмосферного воздуха и подачи его в турбину.

Осевой компрессор состоит из входного устройства, корпуса и ротора, установленного на передней и задней опорах.

Входное устройство предназначено для плавного, равномерного подвода атмосферного воздуха в компрессор. Передний корпус компрессора предназначен для размещения входного направляющего аппарата, служащего для подачи воздуха по определенному закону крутки в первую ступень рабочего колеса ротора компрессора. Входной направляющий аппарат и четыре первых направляющих аппарата выполнены регулируемыми.

Ротор компрессора барабанного типа изготовлен из двенадцати дисков, соедененных между собой электронно-лучевой сваркой, кроме диска рабочего колеса первой ступени, который крепится болтами к проставке,приваренной к диску рабочего колеса второй ступени.

Передняя цапфа ротора изготовлена как одно целое с диском второй ступени. Задняя цапфа крепится призонными болтами к диску рабочего колеса девятой ступени.

С передней и задней сторон ротор имееются лабиринтные уплотнения.

Внутри барабана установлен кожух, отделяющий масляную полость от внутренней полости барабана. Уплотнение кожуха по посадочным поверхностям выполнено резиновыми кольцами. Для предотвращения попадания масла во внутреннюю полость ротора устанавливается экран, который крепится болтами совместно с задней цапфой к диску рабочегого колеса девятой ступени.

Лопатки рабочих колес (РК) первой, второй и третьей ступеней установлены в пазы типа "ласточкин хвост".

Камера сгорания

Камера сгорания служит для преобразования химической энергии топлива в тепловую путем организации эффективного сгорания топлива в потоке воздуха, поступающего из компрессора.

Камера сгорания двигателя, кольцевая с завихрителем воздуха вокруг рабочих форсунок, состоит из следующих основных узлов: наружного корпуса диффузора, внутреннего корпуса диффузора, жаровой трубы и коллектора с двенадцатью форсунками.

Наружный корпус диффузора состоит из переднего наружного фланца, секций и заднего наружного фланца. Передним фланцем диффузор крепится к корпусу спрямляющего аппарата компрессора, а задним - к сопловому аппарату турбины.

Турбина газогенератора

Турбина - осевая, двухступенчатая,с неохлаждаемыми лопатками. Каждая ступень образуется рядом рабочих лопаток и сопловых аппаратов. Вал и диски первой и второй ступеней сцентрированы, сцеплены друг с другом торцевыми шлицами и стянуты стяжными болтами. Через торцевые шлицы передается крутящий момент от дисков к валу ротора. Крутящий момент от турбины к компрессору передается через эвольвентные шлицы, выполненные на конце вала турбины.

Ротор турбины является составной частью ротора турбокомпрессора. Соединение дисков осуществляется при помощи торцевых шлицов и болтов.

Задняя опора ротора турбины является шариковый подшипник.

Свободная турбина

Осевая четырехступенчатая служит для преобразования энергии газового потока в механическую работу привода электрогенератора. Свободная турбина состоит из ротора, сопловых аппаратов, корпуса турбины и корпусов подшипников.

2.2 Расчет на прочность наиболее нагруженных деталей узла (диск, лопатка РК)

2.2.1 Расчет на прочность лопатки первой ступени компрессора

При работе газотурбинного двигателя на рабочие лопатки действуют статические, динамические и температурные нагрузки, вызывая сложную картину напряжений.

В данном задании представлен расчет на прочность пера лопатки только от действия статических нагрузок.

При расчете лопатки на прочность принимают следующие допущения:

- лопатку рассматривают как консольную балку, жестко заделанную в ободе диска;

- напряжения определяют по каждому виду деформации относительно;

- температуру в рассматриваемом сечении пера лопатки считают одинаковой, т.е. температурные напряжения отсутствуют;

- лопатку считают жесткой, а деформацией лопатки(отклонением оси лопатки) под действием сил и моментов пренебрегают;

- предполагают, что деформации лопатки протекают в упругой зоне, т.е. напряжения в пере лопатки не превышают предел пропорциональности;

Цель расчета на прочность лопатки - определение напряжений и запасов прочности в различных сечениях по длине пера лопатки.

Исходные данные:

- радиус корневого сечения Rk=0.09175м;

- радиус концевого (периферийного) сечения Rk=0.16685м;

- длина лопатки L=0.0751м;

- давление воздуха перед и за лопаткой

p1=79570 Па; р2=93980 Па;

- плотность воздуха перед и за лопаткой

; ;

- осевые составляющие скорости воздуха перед лопаткой и за ней

;

- число лопаток на рабочем колесе

- частота вращения ротора

- хорда профиля: в корневом сечении м;

в среднем сечении м;

на периферии м;

- максимальная толщина профиля:

в корневом сечении м;

в среднем сечении м;

на периферии м;

- максимальная стрела прогиба средней линии профиля:

в корневом сечении м;

в среднем сечении м;

на периферии м;

- угол установки профиля:

в корневом сечении

в среднем сечении

на периферии

Материал лопаток -- ВТ-3. Его плотность , предел длительной прочности .

Предел длительной прочности

Газовые силы, действующие на единицу длины рабочей лопатки (интенсивность нагрузки), находим по формулам:

- в плоскости вращения на среднем радиусе:

- в осевой плоскости в корневом сечении:

- в осевой плоскости в периферийном сечении:

Найденные значения интенсивности нагрузки газовых сил необходимы непосредственно при вводе исходных данных для расчета. Расчет на растяжение и изгиб от центробежных сил производится непосредственно ПЭВМ. При отсутствии ввода отклонений оси лопатки от радиального направления изгибающие моменты от центробежных сил не рассчитываются (они отсутствуют).

После расчета лопатки на прочность с помощью ПЭВМ были получены значения действующих напряжений и запасов статической прочности в трех точках (A, B и C). Результаты счета представлены в Табл. 2.1.

Делись добром ;)